Elektrostahl

Elektrostahl in digital

Geht es nach der Bundesregierung, sollen 2030 sechs Millionen Elektrofahrzeuge in Deutschland unterwegs sein. Ein Ziel, das mit dem aktuell langsam wachsenden Markt kaum zu erreichen sein wird. Damit Elektroautos mit mehr Reichweite und höherer Qualität möglichst bald die Straßen erobern können, stellt ArcelorMittal Daten seiner Elektrostähle für virtuelle Entwicklungs-Umgebungen bereit. Denn Effekte zu berechnen geht schneller, als Prototypen real zu bauen.

iCARe ist ArcelorMittals Sortiment an Elektrobändern für den Automobilmarkt. (Bild: ArcelorMittal)

„Ein wichtiges Nadelöhr ist der Prototypenbau“, weiß Sigrid Jacobs, weltweite Leiterin Forschung und Entwicklung für Elektrostahl beim Luxemburger Stahlhersteller ArcelorMittal. Mit einer Entwicklungszeit von drei bis vier Jahren für ein neues Auto sind die Wachstumszahlen nur schwer zu schaffen. „Die schnelle Entwicklung dieses Marktes funktioniert nur, wenn alle an einem Strang ziehen und neue Lösungen entwickeln“, erklärt Jacobs. „Das beginnt beim Materialhersteller.“ Deswegen forscht ArcelorMittal selbst und gemeinsam mit seinen Kunden, zu denen praktisch alle europäischen Automobilhersteller gehören, nach neuen Stahlsorten. Die höchsten Anforderungen stellt derzeit sicher die Automobilindustrie bei der Entwicklung von immer besseren E-Autos. Daneben ist die Verbesserung von Elektrostählen auch in anderen Bereichen der Erneuerbaren Energien von Bedeutung. Hydro-Generatoren für Grüne Energie drehen sich zu fast 100 Prozent der Zeit. Hier sind geringer Energieverlust und lange Lebensdauer gefragt. Je besser der Stahl, desto größer ist die CO2-Einsparung.

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Die nächste Entwicklungsstufe sollen Elektromotoren mithilfe der Finiten-Elemente-Methode schnelle erklimmen. (Bild: JMAG)

Die Speerspitze der Forschung aber bildet die Entwicklung neuer Stähle für elektronische Bauteile in der Automobilindustrie. In den meisten Fällen steht dabei in gleicher Weise die Verbesserung der mechanischen, magnetischen und thermischen Produkteigenschaften im Fokus.

„Die schnelle Entwicklung dieses Marktes funktioniert nur, wenn alle an einem Strang ziehen und neue Lösungen entwickeln.“ Sigrid Jacobs, Forschung- und Entwicklungsleiterin für Elektrostahl bei ArcelorMittal

Kontinuierlich entwickeln Stahlhersteller neue Stähle, die eine höhere Festigkeit und geringeren Abrieb haben. Bei E-Motoren wird mit solchen Stählen etwa die Festigkeit von Rotorblättern erhöht. Sigrid Jacobs: „Das bedeutet: Man kann die Welle schneller drehen lassen, weil der Rotor stabiler ist. Somit können Automobilbauer mit gleicher Leistung kleinere Motoren herstellen. Das spart Gewicht und Platz und damit Energie. Bei Hybridautos ist das ein großes Thema, weil der Elektroantrieb zusätzlich zum herkömmlichen Antrieb verbaut werden muss. Und bei reinen Elektroautos bedeutet jedes Gramm gespartes Gewicht ein Mehr an Reichweite.“

Sprintstärke und Stromersparnis

Wer wie beim aktuellen Tesla S in drei Sekunden von Null auf Hundert beschleunigen will, merkt am eigenen Leib, was es bedeutet, wenn die volle Kraft vom ersten Moment an verfügbar ist. Beim Anfahren benötigt man da ein sehr hohes Drehmoment. Sigrid Jacobs: „Wir entwickeln deshalb Bleche, die eine höhere magnetische Kennlinie haben. Je besser diese Kennlinie ist, desto mehr Drehmoment kann man bei gleichem Stromverbrauch erzeugen. Das bedeutet beim Auto Sprintstärke oder eben Stromersparnis und damit mehr Reichweite bei gleicher Strommenge.“

Auch die Wärmeentwicklung spielt beim E-Motor eine zentrale Rolle, denn Wärmeentwicklung bedeutet Leistungsverlust. Eine Möglichkeit, dem zu begegnen, sind zusätzliche Kühler. Das allerdings bedeutet wiederum mehr Gewicht. Folglich optimiert man bei ArcelorMittal lieber den verwendeten Stahl. Sigrid Jacobs: „Moderne Stähle sind in der Lage, die auftretende Wärme schneller abzuführen. Zudem bedeutet weniger Wärmeentwicklung im Motor natürlich auch mehr Sicherheit.“

Doch die Materialseite ist nur der eine Teil der Entwicklung. „Wichtig ist, dass Ingenieure die neuen Stähle mit all ihren Eigenschaften schnell und unkompliziert testen können“, erläutert Sigrid Jacobs. Deswegen kooperiert der Luxemburger Stahlkonzern seit kurzem mit JMAG, einem Software-Hersteller für virtuelle Entwicklungsplattformen, der bei fast allen Automobilherstellern im Einsatz ist. Jacobs: „Viele Tests lassen sich auch softwaregestützt in einer virtuellen Umgebung durchführen. Dafür müssen allerdings die Materialdaten in entsprechender Qualität vorliegen.“ ArcelorMittal hat diese Daten für seine Elektrostähle mit großem Aufwand erhoben und JMAG zur Verfügung gestellt. Jetzt können Entwickler auf eine wesentlich verbesserte Datenbasis zugreifen und Effekte berechnen statt Prototypen real zu bauen und auszuprobieren.

„Wir optimieren für unsere Industriepartner damit Kosten, Entwicklungsgeschwindigkeit und Qualität“, freut sich die Entwicklungschefin: Die Kosten sinken, weil nicht mehr so viele Prototypen gebaut werden müssen. In der virtuellen Entwicklungsumgebung kann man viele Details testen, ohne einen realen Prototypen zu bauen. Der gleiche Effekt bedingt, dass Entwicklungen deutlich schneller voranschreiten. Die Zeit vom ersten Entwurf bis zur Markteinführung verkürzt sich deutlich. Das bedeutet für Hersteller neuer Motoren wesentliche Wettbewerbsvorteile. Drittens wirkt sich die Möglichkeit, Materialien mit unterschiedlichen Produkteigenschaften zu testen, auf die Qualität der Endprodukte aus, denn die Daten, die ArcelorMittal für das JMAG-System bereitstellt, beinhalten sowohl Materialinformationen als auch Informationen dazu, wie sich Materialien bei der Weiterverarbeitung verhalten. „Die magnetischen Eigenschaften von Stahl ändern sich zum Beispiel alleine durch das Stanzen. Solche Einflussparameter haben wir berücksichtigt. Damit können Ingenieure unterschiedliche Stahlsorten und Verarbeitungsoptionen virtuell testen und dann im System miteinander vergleichen“, verdeutlicht Jacobs und ergänzt: „Mit Kooperationen wie dieser schaffen wir es dann vielleicht doch, dass 2030 sechs Millionen E-Autos auf deutschen Straßen fahren.“ cs

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