Materialeinsparungen dank richtigem Korrosionsschutz

Das Thema Leichtbau beschäftigt in den vergangenen Jahren unterschiedlichste Branchen. Dazu gehört auch die Automobilbranche. Um Autos leichter, effizienter und umweltschonender zu machen, werden aber stetig neue Materialien, Formen oder Lösungen gesucht. Zinklamellen-Systeme bieten einen langfristigen Korrosionsschutz für Automobilteile und helfen, das Gesamtgewicht eines Fahrzeugs zu reduzieren.

Fahrwerksteile wie Fahrwerkslenker werden in der Regel überdimensioniert hergestellt. D. h. sie werden von Vorneherein mit einem Risikoaufschlag produziert, der Schäden durch potenzielle Korrosion bereits einplant. Die tägliche Arbeit und Entwicklung von langlebigen Korrosionsschutz-Technologien trieb Dörken MKS aber zu der Frage, wie hoch die theoretische Gewichtseinsparung bei Bauteilen durch eine Wanddickenreduktion sein kann. Das ACS (Automotive Center Südwestfalen) wurde daher damit beauftragt, dies an einem vereinfachten Exemplar eines Fahrwerkslenker zu untersuchen.

Simulationsversuche zur Blechdickenreduktion

Das Ergebnis der ACS-Studie lässt sich sehen: Bis zu 30% der Masse kann theoretisch reduziert werden. Wie diese Zahl ermittelt wurde? Mit Hilfe verschiedener Versuche wie dem Knickversuch nach Leonard Euler.


Die für die Studie erstellte vereinfachte Form eines Fahrwerkslenkers: U-Profil mit Materialstärke 2,6 mm (Länge 300 mm).

Dabei wurde im ersten Schritt mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode ermittelt, wie sich das vereinfachte Modell (in Form eines U-Profils aus Stahl) mit der gegenwärtigen Blechdicke von 2,6 mm bei Knicklast verhält. D. h. das U-Profil wird im simulativen Modelaufbau in seiner Längsrichtung zusammengedrückt, bis es ausknickt. Das U-Profil knickte dabei bei einer Kraft von 49,2 kN aus. Die Vorgaben der OEMs belaufen sich – je nach Fahrzeugmodell – auf nur ca. 35 kN. Hier zeigte sich also bereits die Überdimensionierung. Deshalb wurde im zweiten Schritt untersucht, bis zu welcher Blechdicke das U-Profil unter einer gegebenen Knicklast von min. 35 kN reduziert werden kann, ohne die geforderte Knickfestigkeit zu vernachlässigen. Die Simulation zeigte, dass sich die Blechdicke des U-Profils auf ca. 2 mm verringern ließe – bei voller Erfüllung der geforderten Knickfestigkeit. Damit ließe sich also grundsätzlich die Masse um bis zu 30 % minimieren.

Einhaltung mechanischer Eigenschaften

Im Rahmen der Studie wurde außerdem mit Hilfe eines 3-Punkt-Biege-Versuchs (in Anlehnung an DIN EN ISO 14125) der Einfluss von Korrosion auf die mechanischen Eigenschaften untersucht.


Die für den Knicklastfall ermittelte minimale Blechdicke von 1,95 mm wurde in unterschiedlichen 3-Punkt-Biegepüfungen validiert.

In der Biegeprüfung zeigten sich kaum Abweichungen zwischen dem Prüfkörper mit Sicherheitspolster und dem 2 mm dicken U-Profil. Wäre da nicht die Gefahr der Korrosion.

Zunächst wurde berechnet, welche Biegesteifigkeit mindestens von dem Profil erfüllt werden muss. Als Referenz-Blechdicke diente das 2 mm dicke Profil, welches eine Biegesteifigkeit von 3,1 kN/mm ergab. Dann wurden die Profile beschichtet: das 2 mm dicke U-Profil mit einem hochleistungsfähigen Zinklamellen-Basecoat sowie -Topcoat von Dörken MKS, das 2,6 mm dicke U-Profil mit einer Phosphat- und anschließenden KTL-Oberfläche. Anschließend wurden die Prüfkörper mit einem Steinschlag (gem. Din EN ISO 20567) im Knick-Bereich belastet und drei Korrosionsbelastungen ausgesetzt: der Salzsprühnebelprüfung (gemäß DIN EN ISO 9227), dem beschleunigten Korrosionstest II (ACT II) und der VDA-Prüfung (gemäß VDA 233-102).

Zinklamellenbeschichtung: Geringe Wandstärken bei gleicher Bauteilperformance

Die Ergebnisse waren eindeutig: Der mit dem Zinklamellensystem beschichtete Prüfkörper mit 2 mm Wandstärke schnitt in allen drei Korrosionstest ohne Rotrost-Befall ab. 1.000 Stunden in der Salzsprühnebelprüfung und jeweils sechs Zyklen in den Klimawechseltests konnten erreicht werden. Gleichzeitig wurde – sowohl belastet als auch unbelastet – bei der 3-Punkt-Biegeprüfung eine Biegesteifigkeit zwischen 3,2 und 3,4 kN/mm erreicht. Zum Vergleich: Das 2,6 mm dicke U-Profil zeigte bei den gleichen Zeiten erkennbaren Rotrost-Befall und unbelastet eine Biegesteifigkeit von ca. 4 kN/mm und nach Belastung Werte zwischen 3,8 und 3,9 kN/mm.


Lokale Spannungsmaxima im realen Fahrwerkslenker unter Zugbelastung.

Gewichtseinsparung durch effektives Beschichtungssystem

Die von Dörken MKS beauftragte Studie des ACS zeigt: Die zusätzlichen 0,6 mm, die in der Praxis als Sicherheitskomponente eingeplant werden, können mit Hilfe eines effektiven Korrosionsschutzes eingespart werden. Es wurde deutlich, dass dadurch außerdem die Knickfestigkeit verringert werden kann. Ein effektiver Korrosionsschutz erfüllt also sowohl die unterschiedlichen Korrosionseigenschaften als auch die mechanischen Eigenschaften und kann zu einer Gesamteinsparung von rund 30% führen. Mehr als vielversprechend für die Zukunft des Leichtbaus!