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Höherfeste Stähle für dieKarosserie.
Dr.-Ing. J. Staeves,Metalle und Beschichtungen
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Höherfeste Stähle für die Karosserie.Inhalt.
– Anforderungen und Trends
– Stahlwerkstoffe – Bezeichnung undKlassifizierung
– Anwendungsbeispiele
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Stähle für die
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Höherfeste Stähle für die Karosserie.Wir leben seit über 2500 Jahrenin der Eisenzeit.
SteinzeitBron- ze-zeit
Eisen-zeit
4000 3000 2000 01000 1000 2000
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Stähle für die
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Biegewiderstand gleiche Blechdicke
Beulsteifigkeit ~ h²Für stärkergekrümmte Flächen
Beulsteifigkeit ~ h³Für weniggekrümmte Flächen
h
Anforderungen und Trends.Biegewiderstand Blech (Beulsteifigkeit).
0
0,2
0,40,6
0,8
1
1,2
1,41,6
1,8
2
Stahl Aluminium Magnesium
Biegewiderstand gleiches Gewicht
8 14
Gewicht gleicher Biegewiderstand
Gew
icht und Biegewiderstand
bezogen auf S
tahl
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Stähle für die
Karaosserie
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Streckgrenze, gleicher Querschnitt
Streckgrenze, gleiches Gewicht
0
2
4
6
8
10
12
weich
Stahl
hochfest
Aluminium Magnesium
weich hochfest weich hochfest
Streckgrenze
(bezogen auf Streckgrenze von weichem
Stahl)
Anforderungen und Trends.Beanspruchung auf Zug.
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Stähle für die
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Anforderungen und Trends.Entwicklung von Aufstandsfläche undKarosseriegewicht.
3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8Aufstandsfläche [m²]
150
200
250
300
350
2001
1996
1990
1996
1998
1975
2001
Gewicht Karosseriegerippe [kg]
Obere Mittelklasse (5er)Mittelklasse (3er)
Oberklasse (7er)
Wettbewerber
1988
1995
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Anforderungen und Trends.Vergleich des BMW 3,0Si von 1975mit dem BMW 3er von 2001.
3,0SiBaujahr 19753,0 l200 PSSeinerzeit OberklasseRohkarosserie 250 kgSteifigkeit 9000Nm/°
330iBaujahr 20013,0 l231 PSHeute MittelklasseRohkarosserie 260 kg Steifigkeit 17500 Nm/°erhöhte Crashanforderungen
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Euro-NCAP40% Offset-Frontalaufprallmit 64 km/h
US-NCAPFrontalaufprall100% Überdeckungmit 35 mph (56 km/h)
Anforderungen und Trends.Übersicht Crashversuche.
US-SINCAPSeitenaufprall mit“Krebsgang”-Barrieremit 38.5 mph (61.6 km/h)
PfahlaufprallSeitenaufprall auffesten Pfahlmit 20 mph (32 km/h)
HeckaufprallFahrbare Barrieremit 35 mph (56 km/h)
Dacheindrücktest /Überrolltest 2,5faches Leergewicht
+ Reparaturcrash mit geringer Geschwindigkeit
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Anforderungen und Trends.Höhere Festigkeit und Energieaufnahme mithöherfesten Stählen.
[Atlas Spaceframe]
US-NCAP Euro-NCAP Heckaufprall
US-SINCAPPfahlaufprall
Dacheindrücktest /Überrolltest
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Höherfeste
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modal
statisch
TorsionBiegung
Anforderungen und Trends.Steifigkeit: Karosseriestähle unterscheiden sichim E-Modul kaum.
[ULSAB]
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Seite 11
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0,1 0,2 0,3 0,4
Umformgrad
Str
ec
kg
ren
ze
[N
/mm
²]H400T, TRIP700
H420LA, ZSTE420
Anforderungen und Trends.Energieaufnahme von klassischen Stählen undMehrphasenstählen.
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Höherfeste
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Schweller
Crash Box
A-Säuleoben
Tunnel
FrontalaufprallkräfteA-Säule unten
Anforderungen und Trends.Lastpfade Vorderbau.
[ULSAB]
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Anforderungen und Trends.Gewichtsanteil höherfester Stählein der Rohkarosserie.Gewichtsanteil ab Streckgrenze 180 N/mm² [%]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
BMW 7er
BMW 3er
BMW 5er
BMW 7er
Produktions-/Einsatzjahr
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Höherfeste
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Anforderungen und Trends.Entwicklung der mittleren Festigkeit derStahlwerkstoffe im Karosseriegerippe.
Produktions-/Einsatzjahr
Mittelwert Mindeststreckgrenze [N/mm²]Σ(Mindeststreckgrenze x Bauteilgewicht) / Σ Bauteilgewicht
140
160
180
200
220
240
260
1975 1996 1998 2000 2002 2004
BMW 5erBMW 3er
BMW 7er
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Höherfeste Stähle für die Karosserie.Inhalt.
– Anforderungen und Trends
– Stahlwerkstoffe – Bezeichnung undKlassifizierung
– Anwendungsbeispiele
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Bezeichnung und Klassifizierung.Entwicklung neuer Stahlsorten.
1970
Isotroper Stahl
Dualphasenstahl
Complexphasenstahl
MS, Martensitphasenstahl
Transformation induced Plasticity Stahl
Mikrolegierter Stahl, LA
Phosphorlegierter Stahl, P
I
X
CP
MS
TRIP
B
Y
Produktionsbeginn bei ThyssenKrupp Stahl
1975 1980 1985 1990 1995
IF-Stahl (interstitial free)
Bake hardening Stahl
2000 2005
Quelle: ThyssenKrupp Stahl
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Weiche ZiehgütenST14, FeP04, DC04, DX54
Interstitial free Stähle (Höherfeste IF)IF220, 220IF, HSZ220, HX220, HY220, H220Y
Isotrope StähleHIZ260, H260i, ZStE260i
Bake Hardening StähleZStE300BH, RePhos300, ZStE300, BH300, Usiplus300, H300B
TRIP-StähleTRIP700, HT700T, H400T, RA-K 40/70, TRIP 400/700
Bezeichnung und Klassifizierung.Beispiele für übliche Werkstoffbezeichnungen.
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Höherfeste
Stähle für die
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Bezeichnung und Klassifizierung.Bezeichnungssystem höherfester Stähle.
HT700TD+Z100
Verzinkungsart und Dicke
schmelztauchbeschichtbar
Stahlsorte
Festigkeit
T: Zahl = Mindestzugfestigkeit
sonst: Zahl = Mindeststreckgrenze
H: höherfester kaltgewalzter Stahl
B: Bake hardening
Y: IF (interstitial free)
I: isotrop
X: Dualphasen
T: TRIP
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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0
10
20
30
40
50
60
70
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
KarosseriestähleAustenitische Stähle
Alu-KnetlegierungenMagnesiumgussMagnesiumprofile
TWIP-Stähle
Streckgrenze [MPa]
Bruchdehnung [%]
Bezeichnung und Klassifizierung.Umformbarkeit, Festigkeit oder Kosten.
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Höherfeste
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Bezeichnung und Klassifizierung.Verfestigungsmechanismen bei konventionellenStählen.
Quelle: ThyssenKrupp Stahl
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Höherfeste
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Warmwalzen
Ferrit
Perlit
Bainit
A3
Austenit
Zeit
Tem
peratur
Ms
Martensit
Ms
Mf
Abkühlen
Martensit Dualphasen
TRIP
MP
High Strength Low Alloyed
→ C, Si, Mn, Al, B, CrSi, Al ← → Mn, Cr, B
↓
C, Mn
Al↑
→ C, Si, Cr, V, Mn, BAl ←
Bezeichnung und Klassifizierung.Herstellung von Mehrphasenstählen.
Quelle: Salzgitter Stahl
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Höherfeste
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Bezeichnung und Klassifizierung.Verfestigung durch harte Phasen.Mehrphasenstähle.
Quelle: ThyssenKrupp Stahl
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Umformung Fügen Lack Einbrennen Gebrauch
Fe
sti
gk
eit
(S
tre
ck
gre
nze
)
0
200
400
600
800
H300LA (mikrolegiert)
Werkstoffangaben von Stahlherstellern
Kaltverfestigung
H300X (Dual Phasen Stahl)
Bake Hardening
H300B (Bake Hardening Stahl)
Bezeichnung und Klassifizierung.Bake Hardening.
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Bezeichnung und Klassifizierung.Klassifizierung der Stahlsorten.
Mindest-streck-grenze
Referenz für Tiefziehen
Bake hardening bei geringer Umformung
Kaltverfes-tigung und bake hardeningbei großerUmformung
Streck-ziehen
Verbesserte Umformbar-keit bei höheren Material-kosten
Deutlich bessere Umformbar-keit bei deutlich höherenKosten
120 DC06, DX56 DC07, DX57140 DC04, DX54160 H160Y H160B180 H180Y H180B220 H220Y H220B H220I260 H260Y H260B H270X H260I300 H300B H300X H300I Edelstahl340 H340LA H340X Edelstahl380 H380LA Edelstahl420 H420LA H400T H400T Edelstahl500 H500X700 CP-W 8001000 MS-W 1200 Usibor, BTR
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Höherfeste Stähle für die Karosserie.Inhalt.
– Anforderungen und Trends
– Stahlwerkstoffe – Bezeichnung undKlassifizierung
– Anwendungsbeispiele
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 120-220 MPa.
Mindest-streck-grenze
Referenz für Tiefziehen
Bake hardening bei geringer Umformung
Kaltverfes-tigung und bake hardeningbei großerUmformung
Streck-ziehen
Verbesserte Umformbar-keit bei höheren Material-kosten
Deutlich bessere Umformbar-keit bei deutlich höherenKosten
120 DC06, DX56 DC07, DX57140 DC04, DX54160 H160Y H160B180 H180Y H180B220 H220Y H220B H220I260 H260Y H260B H270X H260I300 H300B H300X H300I Edelstahl340 H340LA H340X Edelstahl380 H380LA Edelstahl420 H420LA H400T H400T Edelstahl500 H500X700 CP-W 8001000 MS-W 1200 Usibor, BTR
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Seite 27
“Form follows function”
Karosserieaussenhaut.Aluminium in der Außenhaut erfordertwerkstoffgerechtes Design.
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 28
Anwendungsbeispiele.Seitenrahmen außen.Beanspruchung.
Türabsenkung
Schließkeilanbindung
Frontalcrash
Seitencrash
Heckcrash
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Seite 29
Anwendungsbeispiele.Seitenrahmen außen.Einfluss der Stahlsorte auf Gewicht und Kosten.
Gew
ichtseinsparung [kg]
4
20
-2
-4
-6
H180Y0,85 mm
DC 060,95 mm
H220Y0,75 mm
Materialkosten [%] 100
80
60
40
20
0
Risse
Oberflächenunruhen
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 340-420 MPa.
Mindest-streck-grenze
Referenz für Tiefziehen
Bake hardening bei geringer Umformung
Kaltverfes-tigung und bake hardeningbei großerUmformung
Streck-ziehen
Verbesserte Umformbar-keit bei höheren Material-kosten
Deutlich bessere Umformbar-keit bei deutlich höherenKosten
120 DC06, DX56 DC07, DX57140 DC04, DX54160 H160Y H160B180 H180Y H180B220 H220Y H220B H220I260 H260Y H260B H270X H260I300 H300B H300X H300I Edelstahl340 H340LA H340X Edelstahl380 H380LA Edelstahl420 H420LA H400T H400T Edelstahl500 H500X700 CP-W 8001000 MS-W 1200 Usibor, BTR
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 31
Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 340 bis 420 N/mm².Seitenrahmen innen des BMW 7er.
0
200
400
600
800
1000
1200
Umformgrad
Fließgrenze [N/mm²]
1400
1600
H380LA
H420LA
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 32
Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 340 bis 420 N/mm².A-Säule innen.
0
200
400
600
800
1000
1200
Umformgrad
Fließgrenze [N/mm²]
H400T (TRIP 700)
H420LAH380LA
1400
1600
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 33
Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 340 bis 420 N/mm².Vergleich von mikrolegiertem und TRIP-Stahl.
H420LA (ZStE 420) H400T (TRIP700)
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 34
Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 340 bis 420 N/mm².Motorträger außen beim BMW Z4.
0
200
400
600
800
1000
1200
Umformgrad
Fließgrenze [N/mm²]
H340X
H380LA
1400
1600
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 35
NeueStähle
Anwendungsbeispiele.Herausforderungen beim Einsatz neuer Stähle.
Entwicklung
WerkstoffauswahlMaterialmodelle
Umformung
Methode, AufsprungUmformkräfte
WerkzeugsteifigkeitVerschleiß
Material-beschaffung
ChargenschwankungenVerfügbarkeitKonzepte
Rohbau
SchweißbarkeitAufsprung
Oberfläche
OberflächenqualitätKorrosionKleben
Reparatur
FügetechnikRichten
Wärmeeinfluss
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 36
Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 500-700 MPa.
Mindest-streck-grenze
Referenz für Tiefziehen
Bake hardening bei geringer Umformung
Kaltverfes-tigung und bake hardeningbei großerUmformung
Streck-ziehen
Verbesserte Umformbar-keit bei höheren Material-kosten
Deutlich bessere Umformbar-keit bei deutlich höherenKosten
120 DC06, DX56 DC07, DX57140 DC04, DX54160 H160Y H160B180 H180Y H180B220 H220Y H220B H220I260 H260Y H260B H270X H260I300 H300B H300X H300I Edelstahl340 H340LA H340X Edelstahl380 H380LA Edelstahl420 H420LA H400T H400T Edelstahl500 H500X700 CP-W 8001000 MS-W 1200 Usibor, BTR
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 37
Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 500 bis 700 N/mm².B-Säulenverstärkungen.
0
200
400
600
800
1000
1200
Umformgrad
Fließgrenze [N/mm²]
H420LA
D680C (CP 800)
1400
1600
BMW 7er:1,6 mm
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 38
Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse 500 bis 700 N/mm².Stähle aus der Studie Ulsab AVC.
0
200
400
600
800
1000
1200
Umformgrad
Fließgrenze [N/mm²]
D680C (CP 800)
1400
1600
DP700/1000
DP500/800
Quelle: ULSAB-AVC
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 39
Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse über 900 N/mm².
Mindest-streck-grenze
Referenz für Tiefziehen
Bake hardening bei geringer Umformung
Kaltverfes-tigung und bake hardeningbei großerUmformung
Streck-ziehen
Verbesserte Umformbar-keit bei höheren Material-kosten
Deutlich bessere Umformbar-keit bei deutlich höherenKosten
120 DC06, DX56 DC07, DX57140 DC04, DX54160 H160Y H160B180 H180Y H180B220 H220Y H220B H220I260 H260Y H260B H270X H260I300 H300B H300X H300I Edelstahl340 H340LA H340X Edelstahl380 H380LA Edelstahl420 H420LA H400T H400T Edelstahl500 H500X700 CP-W 8001000 MS-W 1200 Usibor, BTR
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 40
Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse über 900 N/mm².Seitenaufprallträger.
0
200
400
600
800
1000
1200
Umformgrad
Fließgrenze [N/mm²]
D680C (CP 800)
D900MS (MS-W 1200)
1400
1600
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 41
3er, 5er, ...: 1,5 mm
Bauteilbeispiele.Festigkeitsklasse über 900 N/mm².Türverstärkungen in MS-Stahl D900M.
Quelle: TKS
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 42
Anwendungsbeispiele.Festigkeitsklasse über 900 N/mm².Warm umgeformte Verstärkung A-Säule.
0
200
400
600
800
1000
1200
Umformgrad
Fließgrenze [N/mm²]
D680C (CP 800)
D900MS (MS-W 1200)
1400
1600
Borstahl
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
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Seite 43
Zusammenfassung (1/3).
– Stahlleichtbau in der Karosserie ist heute Realität.
– Aktuelle und zukünftige Stahlwerkstoffe bieten zusätzlichesPotenzial für kostenorientierten Stahlleichtbau.
– Die zunehmende Zahl der Werkstoffe erschwert dieWerkstoffauswahl in der Konstruktion und die Absicherungder Prozesse in der Fertigung.
– Die Begrenzung der Werkstoffauswahl führt zu erhöhtemKarosseriegewicht.
„Die Strukturen und die Produktion der Zukunftmüssen Komplexität effizient beherrschen ...“
Professor Milberg 1997
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 44
Holz Hüftknochen
0
5
10
15
20
25
30
Mensch AutomobilPferd
Anteil „Karosseriegewicht“ am Gesamtgewicht [%]
Zusammenfassung (2/3).Die Natur kann es besser.
Quellen: EK Übergang 13.0-14.0 1. OG,Prof. Nachtigall, pbpress
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Höherfeste
Stähle für die
Karaosserie
28.6.2004
Seite 45
Zusammenfassung (3/3).Wir brauchen alle Metalle.Metall-Mischbau auch im Menschen.
Knochenbildung
Wundheilung
Bei körperlichen Belastungen
Bei Magenbeschwerden
Rote Blutkörperchen