VDI-Themenradar Automobil

Leichtbau im Auto: Welcher Werkstoff darf es sein?

„Leichtbau im Automobil ist und bleibt ein Trend“, erklärt Heinrich Timm, Mitglied des Vorstands vom Carbon Composites e.V. (CCeV) und langjähriger Leiter des Audi-Leichtbauzentrums. Seit Jahren ist Timm Experte im Bereich Leichtbau und hat als Themenpate das VDI Themenradar Automobil im September begleitet. Wir haben seine Einschätzungen einmal zusammengefasst.

Bild: VDi Wissensforum GmbHHeinrich_Timm_Quelle_VDI Wissensforum GmbH_300 dpiLeichtbaulösungen für angenehmen Fahrkomfort
„Leichtbau ist mehr als Verbrauchsreduzierung und der damit einhergehenden Reduzierung der CO2 -Emissionen.“ Die fortschreitenden Verschärfungen der CO2-Grenzwerte auf 95 Gramm pro Kilometer im Jahr 2020 und die in Diskussion stehenden 70 Gramm pro Kilometer im Jahr 2025 sind jedoch die stärksten Treiber für Leichtbauentwicklungen. Sie stehen im Effizienzwettbewerb zu Maßnahmen am Antriebsstrang. „Je effektiver das Antriebsaggregat eines Fahrzeugs ausgelegt wurde, desto geringer ist der Verbrauchseinfluss des Leichtbaus pro eingespartem Kilogramm“, so Timm. „Alle Analysen führen am Ende jedoch zu der Erkenntnis, dass die Realisierung der harten Grenzwerte ein sowohl als auch braucht, ein entweder oder reicht nicht aus.“ Leichtbau birgt darüber hinaus bei einer Vielzahl subjektiver Kundenwerte Verbesserungen, wie etwa bei der Beschleunigung, dem Handling, der Sicherheit durch Reduzierung der Bremswege sowie der Reichweite von Fahrzeugen. Sportliches und sicheres Fahren ist eng verbunden mit intelligenten Leichtbaulösungen.

Welcher Werkstoff ist am effektivsten?
Mit welchem Leichtbauwerkstoff sind Leichtbaulösungen für die Großserie am effektivsten realisierbar? Das VDI Themenradar Automobil stellte im September die Frage, welcher Leichtbauwerkstoff in den nächsten Jahren prozentual den größten Zuwachs in der Serie haben wird. „In der Frage liegt bereits eine grundlegende Antwort: Intelligente Leichtbaulösungen werden das gesamte Portfolio der verfügbaren Leichtbautechnologien nutzen, inklusive Stahl“, erläutert Timm.

Das Umfrageergebnis zeigt, dass 67,4 Prozent der Befragten Faserverbundwerkstoffen den größten Zuwachs in der Serie zusprechen. Weit dahinter liegt Magnesium – hier sehen nur 19,1 Prozent Potenzial. Dem Leichtbauwerkstoff, dem die Teilnehmer der Umfrage am wenigsten Zuwachs in der Serienproduktion zutrauen, ist Aluminium mit nur 13,5 Prozent.

„Das Umfrageergebnis überrascht mich nicht, es spiegelt die aktuellen Marketingaktivitäten zu den Technologien wieder“, erklärt Timm. „Bei der Frage nach prozentualem Wachstum ist das Verhältnis der derzeitigen Jahresproduktionsvolumen zu berücksichtigen. So steht das Verhältnis Magnesium zu Aluminium bei circa 1:100 und das Verhältnis hochleistungsfaserverstärkte Composites (CFK) zu Aluminium bei circa 1:1.000. Das größte Wachstum in produzierter Tonnage wird beim Aluminium stattfinden.“

Projekte zur Funktionsverbesserung
Der richtige Werkstoff funktionsabhängig am richtigen Platz und dann jeweils in seiner kleinstmöglichen Menge wird die Devise aller Originalausrüstungshersteller (OEM), die erfolgreich hochwertige Automobile vertreiben. In den drei angefragten Technologiebereichen laufen jeweils interessante Projekte zu weiteren Funktionsverbesserungen und in allen drei Leichtbautechnologien werden prozentual gute Zuwachsraten im Automobilbau erwartet. „Den Vertretern und Anwendern aller Technologien sei geraten, mit Sorgfalt die Entwicklung des jeweils technologiegerechten Konzeptes zu betreiben“, erklärt Timm. „Über den Ansatz einer Substitution kann ein Technologiewechsel nicht zum Optimum führen.“ Der prozentuale Zuwachs der drei Technologien in der Serie ist relativ zu den aktuellen Jahresproduktionsvolumen zu bewerten. Die Jahresproduktionsvolumen sind laut Veröffentlichungen bezogen auf das Jahr 2011 folgende: Stahl – 1.300.000.000 Tonnen, Aluminium – 50.000.000 Tonnen, Magnesium – 500.000 bis 675.000 Tonnen und Carbon Fiber – 42.000 Tonnen

Hochleistungsfaserverstärkte Composites (FVK / CFK)
Die FVK/CFK hatten in der Luftfahrt bei Modellen von Airbus und Boing einen erfolgreichen Einzug. Für den Automobilbau sind sie aktuell in aller Munde. Der Schritt aus der Nische der Supersportwagen wie Lamborghini, Porsche, Mc Laren oder Bugatti wurde vollzogen. Zum Beispiel kamen mit dem Audi R8 Spider CFK Teile in die Serie und mit dem BMW i3 wurde öffentlichkeitswirksam der Schritt in die Großserie getan. „Die CFK Composite Technologie ist relativ jung, birgt jedoch ein großes Leichtbaupotenzial“, so Timm. „Für einen Durchbruch im Automobilbau bedarf es einer intensiven Weiterentwicklung der Produktionsprozesse mit entsprechenden Kostenreduktionen und der Qualifikation der Entwickler für die materialgerechte Auslegung unter Berücksichtigung der Anisotropie.“ Im Spitzencluster „MAI-Carbon“ entwickeln Fachleute Lösungen für diese Ziele im Zusammenwirken von Wissenschaft und Industrie. Schon vor einem Seriendurchbruch werden kontinuierlich markante Volumensteigerungen stattfinden.

Magnesium
Die geringe Dichte von 1,74 kg/dm³ für Magnesium macht diese Technologie als Leichtbautechnologie sehr interessant. Mit Beginn der VW Käferproduktion im Jahr 1938 wurde Magnesium für die Getriebegehäuse als Druckgussmaterial eingesetzt. Für diese Verwendung wird es aktuell wieder populärer. Die gute Gießbarkeit des Werkstoffs macht ihn auch für filigrane dünnwandige Bauteile interessant. Neuentwicklungen für die Verwendung in den Halbzeugen Strangprofile und Bleche werden erst in den letzten Jahren ernsthaft angeboten. „An Außenhautteilen ist Magnesium bis heute nicht einsetzbar“, erklärt Timm. „Hier mangelt es bisher an der positiven Erfüllung des in der Automobilindustrie typischen INKA Korrosionstest.“ Nach Vorschädigung bis aufs Metall sind leichte Lackunterwanderungen in diesem Test nicht vermeidbar. Die Anwendung der Magnesiumbleche beschränkt sich demzufolge bis heute auf Innenteile. Die „International Magnesium Association“ (IMA) prognostiziert aktuell ein Wachstum von jährlich fünf bis zehn Prozent in der Automobilindustrie.

Aluminium
„Aluminium hat den Durchbruch in die Automobile Großserie bereits geschafft“, so Timm. Für diesen Werkstoff ist der größte Volumenzuwachs in den nächsten Jahren bereits durch entschiedene Projekte in der Automobilindustrie definiert. In den USA und in Europa wird in zusätzliche Aluminium-Blechkapazitäten investiert. Für den starken Anstieg von Strukturgussteilen aus Aluminium in den neuen Karosseriekonzepten wird erheblich in Druckguss-Zusatzkapazitäten investiert. Neue Strukturguss-Anbieter kommen auf den Markt.

Bild: VDI / Thomas ErnstingAuto_Modell_Fertigung_Rohbau1
Der revolutionäre Start begann im Oberklasse Modell Audi A8 im Jahr 1994 mit einer Vollaluminium Serienkarosserie. Dieses Konzept legte die Basis für die Anwendung von Aluminium im Karosseriebau. Das Konzept war von Beginn an werkstoffgerecht ausgelegt. Zur Kompensation des 1/3 Elastizitätsmoduls im Vergleich zum Stahlblech, hat das Konzept in allen Knotenbereichen die materialeffektiven steifen Druckgussknoten und als Träger Strangpressprofile, die im vorhandenen Package jeweils das größte Trägheitsmoment ermöglichen. In den Schubflächen sind die Aluminiumbleche platziert. In einer kompletten Karosserie wurde mit dieser Aluminium Space Frame Bauweise bei identischer Funktion zur Stahlblechkarosserie eine Gewichtsreduzierung von über 45 Prozent erreicht.

Mit markenspezifischen Variationen wird dieses Konzept in den Oberklassemodellen der aktuellen Premium-Marken angewandt. Für die Modelle der Mittelklasse im Premiumsegment setzen sich die Karosseriekonzepte mit etwa 50 Prozent Aluminium und 50 Prozent Stahlblech durch. Diese Kombination stellt einen guten Kompromiss in Wirtschaftlichkeit und Funktion dar. Der Schritt in die absolute Großserie wurde von Ford USA mit dem F 150 Pick-up vollzogen. Beim F 150, dem meistverkauften Automobil auf dem nordamerikanischen Markt, ist die Fahrerkabine aus Aluminium gefertigt.

Ausblick
„Es ist wichtig, dass alle in der Prozesskette beteiligten Partner verstehen, dass der Karosserie-Materialleichtbau der Enabler für leichte Fahrzeugkonzepte ist. Der erste Leichtbauschritt braucht eine Größe, die Sekundäreffekte ermöglicht, und die gilt es zu nutzen als Zusatzgewichtsreduzierung und zur Kostenkompensation“, erläutert Timm. Zu jeder Technologie sollte das werkstoffgerechte spezifische Konzept entwickelt werden. „Eine zusätzliche Verbesserung der Leichtbaugüte mit beachtlichem Potenzial liegt nach meiner Analyse in der materialhybriden Auslegung von Bauteilen und Baugruppen“, so Timm. Das dabei zugrundeliegende Konzept verbindet die Stärken verschiedener Technologien so miteinander, dass neue Hochleistungsbauteile entstehen.

Die aktuelle Umfrage des VDI Themenradar Automobil im Oktober befasst sich mit Getrieben und ist unter anderem auf www.vdi.de/autokat zu finden.

Jennifer_RittermeierAutorin: Jennifer Rittermeier
Position im VDI: Referentin PR/Öffentlichkeitsarbeit bei der VDI Wissensforum GmbH
Aufgabe im VDI: Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

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2 Gedanken zu “Leichtbau im Auto: Welcher Werkstoff darf es sein?

  1. Sehr interessanter und informativer Beitrag!

    Leider wurden im betreffenden Themenradar keine Einschätzungen zu den relativen Zuwachsraten höherfester Stähle abgefragt. Hier im Blog-Beitrag dient Stahl dann auch lediglich als Referenz für den Vergleich der jährlichen Produktionsmengen.

    Dabei besitzen gerade höherfeste Mehrphasenstähle (AHSS) und Stähle für die Warmumformung (Presshärten) großes Potenzial für den Karosserie-Leichtbau, was sich nicht nur im Volumensegment in deutlich steigenden Anteilen dieser Stähle an der Werkstoffzusammensetzung widerspiegelt. (http://www.stahl-blog.de/index.php/leichtere-autos-aus-stahl-die-kombination-machts/)

    Nicht zu vernachlässigen sind zudem Gewichtsminderungen, die sich im Fahrwerk und Antriebsstrang durch massiv umgeformte Komponenten aus Stahl erreichen lassen – siehe http://www.massiverleichtbau.de

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