Schwerpunkt

Leichtbau

Jedes Kilo zählt

25.08.2009

Überblick: Konstruktiver und werkstofflicher Leichtbau erhalten durch die steigenden Kraftstoffpreise und die anhaltende Klimadiskussion einen neuen Schub. Da sich das Konstruktionsprinzip eines „intelligenten Werkstoffmix” durchgesetzt
hat, buhlen zahlreiche Lösungen um ihren Einsatz.


leichtbau1Leichtbau zählt seit vielen Jahren zu den Kardinalstugenden bei der Konzeption neuer Fahrzeuge. Dabei sind Automobilhersteller und ihre Zulieferer gleichermaßen gefordert. Gilt es doch, durch möglichst leichte Einzelkomponenten das Gesamtgewicht des Fahrzeugs zu reduzieren und so zu einer Senkung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen beizutragen. Nicht zuletzt die öffentliche Diskussion um die CO­2-Emissionen der individuellen Mobilität gilt als wichtiger Treiber für den Fahrzeugleichtbau.
Nur wenig wird in diesem Zusammenhang darüber gesprochen, dass auch der Gesetzgeber zum steigenden CO2-Ausstoß moderner Fahrzeuge beiträgt. Alleine die legislativen Anforderungen an den Fußgängerschutz, die Partikelreduzierung in den Abgasen von Dieselmotoren, oder die Mindestgröße von Rückspiegeln bringen nach Berechnungen des europäischen Automobilherstellerverbands ACEA aufgrund ihres Mehrgewichts im Durchschnitt CO2-Emissionen von 5,7 g/km.

Video zu diesem Thema:

Ein ergänzendes Video zu diesem Thema finden Sie unter folgendem Link:
http://www.automanager.de/BayernInnovativ/Zulieferer_Innovativ2009/drechsler.php

Dieser Gewichtsspirale, die durch Forderungen der Märkte nach immer noch mehr Komforteinrichtungen und Infotainmentangebote in modernen Fahrzeugen weiter verstärkt wird, entgegenzuwirken, ist seit vielen Jahren das Ziel des konstruktiven und werkstofflichen Leichtbaus. Dabei sind sich die Beteiligten jedoch einig, dass Leichtbaukonzepte immer nur einen bestmöglichen Kompromiss zwischen Funktionsanforderungen, wirtschaftlichen Rahmenbedingungen und produktionstechnischen Möglichkeiten darstellen.
Zwar erlauben neue Werkstoffe und verfahrenstechnische Entwicklungen immer häufiger Lösungen, die nur wenige Abstriche an andere Kriterien erfordern, doch der Weg dorthin ist nicht selten steinig.
Um neue Werkstofftechnologien reibungslos in bestehende Abläufe des Produktentwicklungsprozesses der Automobilindustrie integrieren zu können, müssen zum Beispiel schon frühzeitig die notwendigen CAE-Methoden bereitgestellt werden. Nur so lassen sich ein hoher Reifegrad sowie effiziente Entwicklungen und Erprobungen gewährleisten. Doch für die Technologietreiber bedeutet dies einen nicht unerheblichen zusätzlichen Innovationsaufwand. Und dies zu einem Zeitpunkt, in dem ein Serienauftrag noch nicht in Sicht ist.

Meine Meinung

Abhängig von der Fahrzeugstückzahl reicht eine reine Gewichtsreduzierung als Argument für die Umsetzung von Leichtbaumaßnahmen nicht immer aus. Deshalb bemühen sich OEMs und Zulieferer um Zusatznutzen. Dafür bieten nicht zuletzt die Faserverbundwerkstoffe mit ihren hohen mechanischen Eigenschaften einen breiten Spielraum. Nachteilig stellen sich aber die hohen Kosten dieser Werkstoffgruppe dar. Ein besonders effizienter Einsatz von Faserverbundwerkstoffen ist deshalb Voraussetzung für den Erfolg bei der Umsetzung von Serienbauteilen.
Stefan Schlott

Jeder Werkstoff hat seine spezifischen Potenziale, die für einen intelligenten Materialmix genutzt werden können. Je nach Kombinationsform unterscheidet die Branche zwischen Materialarten-, Materialgüten- sowie Halbzeug- und Geometriemischbau. Die vielfach unbeantwortete Frage ist jedoch, in welchen Anwendungen die einzelnen Werkstoffe ihre Potenziale am besten entfalten können.
Nach einer groben Faustregel zielen die aktuellen Entwicklungsaktivitäten bei den Metalllegierungen für Gussteile und Profile auf eine weitere Steigerung von Streckgrenzen und Zugfestigkeit. Eine andere Entwicklungsrichtung betrifft Materialverbunde wie Sandwichbleche, die beispielsweise von ThyssenKrupp als Alternative zum Einsatz von Aluminium für großflächige Außenhaut- und Innenteile positioniert werden. Das Argument des Stahlkonzerns lautet, maximal zehn Prozent mehr Gewicht bei mindestens 30 Prozent geringeren Kosten.
Im Werkstoffmix moderner Fahrzeugkonzepte kommt Stahl eine tragende Rolle zu. In sicherheitskritischen Bereichen der Karosserie ebenso wie bei Strukturbauteilen. Dabei kommen vor allem hoch- und höchstfeste Stähle zum Einsatz. Rund die Hälfte aller Komponenten der Rohbaukarosserie in der aktuellen Mercedes-Benz S-Klasse bestehen aus solchen Stahllegierungen, die bei einem Minimum an Gewicht ein Maximum an Festigkeit erreichen. Nach Unternehmensangaben konnte so die Torsionssteifigkeit der Rohbaustruktur gegenüber der bisherigen S-Klasse um rund 12 Prozent verbessert werden.

 

Hochfeste Stähle im Kommen
Ein ähnliches Bild zeigt sich bei der A-Klasse: Zu den zahlreichen Veränderungen leichtbau2gegenüber dem Vorgängermodell zählten die Weiterentwicklung der Fahrgastzelle sowie der Karosseriestruktur. Insgesamt stieg dabei der Anteil an höher- und höchstfesten Stählen auf 67 Prozent. Beim ersten Modell der A-Klasse waren es noch 54 Prozent.
Selbst Audi, lange Zeit als Verfechter von Karosserien aus Aluminium bekannt, setzt bei seinen jüngsten Modellen wieder vermehrt auf den Werkstoff Stahl. So entwickelten die Ingolstädter für die zweite Auflage des Roadsters TT ihre mit dem A8 – in Aluminium – eingeführte Space Frame-Technik so weiter, dass neben dem Bauxitwerkstoff nun auch hochfeste Stahlkomponenten zum Einsatz kommen.
Um eine möglichst gleichmäßige Achslastverteilung zu erzielen, bestehen beim TT vor allem der Heckbereich der Bodengruppe, die Türen sowie die Heckklappe aus Stahl. Der überarbeitete Space Frame trägt nach Aussagen von Audi maßgeblich zu den dynamischen Eigenschaften des Sportwagens bei. Gegenüber dem Vorgänger stieg die statische Torsionssteifigkeit nach Werksangaben um etwa 50 Prozent. Gleichzeitig sorge die Technik für einen hohen Schwingungskomfort. 

132 kg Aluminium pro Fahrzeug
Fakt ist aber auch: Der Einsatz von Aluminium im Automobilbau hat sich in Europa weitgehend etabliert. Nach durchschnittlich 43 kg 1980 werden heute im Schnitt 132 kg Aluminium pro Fahrzeug verbaut. Für die kommenden Jahre rechnet die Branche mit einem weiteren Zuwachs von fünf Prozent pro Jahr.
Aluminium-Walzspezialist Novelis reagierte auf die steigende Nachfrage nach Aluminiumblechen mit einer elf Mio. Euro teuren Erweiterung seines Werks Nachterstedt in Sachsen-Anhalt. Im Kern der Investitionen stand eine Erhöhung von Leistung und Flexibilität der dort installierten Durchlaufglüh- und Lackieranlage zur integrierten Oberflächenbehandlung von Automobilblechen aus Aluminium.
Ein weiterer Schub für Aluminium im Fahrzeugbau soll nun durch „Fusion” kommen. Dabei handelt es sich um eine von Novelis patentierte Technologie, bei der Aluminiumbleche bereits beim Guss der Barren für den späteren Walzprozess aus zwei oder drei Lagen unterschiedlicher Aluminiumlegierungen hergestellt werden.
Durch den Einsatz dieses neuen Materials ist Erstanwender BMW in der Lage, die Türinnenstruktur mit integriertem Fensterrahmen in einem Stück zu fertigen. Und dies mit einem Design, welches mit konventionellen Aluminiumblechen nicht realisierbar gewesen wäre. Die von BMW eingesetzte Legierungskombination bietet ein hohes Umformvermögen kombiniert mit einer überlegenen Korrosionsbeständigkeit; eine Eigenschaftskombination, die bislang nicht verfügbar war.
Trotz steigender Rohöl- und Werkstoffpreise treibt die aktuelle Klimadiskussion auch den Kunststoffeinsatz im Automobilbau weiter voran. Die einschlägigen Zulieferer und Werkstofflieferanten zeigen sich entsprechend innovationsfreudig (siehe auch Artikel „Plastik-Offensive” auf Seite 24). Nach Berechnungen bei BASF haben Kunststoffe heute mit rund 14 Prozent Gewichtsanteil ihren festen Platz im Automobil.
leichtbau3Mit einer schier unübersehbaren Innovationsflut, die immer neue Kunststoffvarianten für Automobilanwendungen maßschneidert, soll dieser Anteil weiter ausgebaut werden. Je nach Einsatzgebiet mit unterschiedlichen Anforderungen: So gilt die Möglichkeit, Anbauteile wie Kotflügel, Heckdeckel oder Türblätter aus Kunststoff gemeinsam mit der Karosserie in einem Prozess online durch die Lackieranlagen zu fahren, noch immer als K.-o.-Kriterium für eine weitere Substitution metallischer Außenteile im Automobilbau.
Zwar sind online lackierfähige Kunststoffe nicht neu am Markt. Trotzdem stellt jede einzelne neue Anwendung eine Herausforderung für alle Beteiligten dar, denn die hohen An­forderungen der Automobilindustrie werden von den heute verfügbaren Werkstoffen noch nicht in allen Punkten erfüllt.
Stefan Schlott ist freier Autor und Spezialist für Automobil- und Leichtbauthemen.