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Karrosseriebau

Multi-Material-Strukturen sind die Basis für den Leichtbau

| Autor/ Redakteur: Mathias Liewald und Niels Sander / Udo Schnell

Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde eine Datenbank entwickelt, mit der Karosseriekonzepte für Kraftfahrzeuge unter Aspekten wie etwa Werkstoffe oder Gewicht vergleichend analysiert werden können. Das Projekt bestätigt die Annahme, dass sich Multi-Material-Strukturen im Karosseriebau durchsetzen werden.

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Bild 1: Die Live-Drive-Plattform – das horizontal geteilte Modularisierungskonzept des BMW i3.
Bild 1: Die Live-Drive-Plattform – das horizontal geteilte Modularisierungskonzept des BMW i3.
(Bild: BMW)

Im Karosseriebau werden nach wie vor hauptsächlich Stahlwerkstoffe verwendet, doch der Trend verläuft inzwischen eindeutig zu intelligenten Leichtbaustrukturen mit vielfältigen Materialmix-Konzepten. Gerade im Hinblick auf die neuen Antriebskonzepte Battery Electric Vehicle (BEV) und Hybrid Electric Vehicle (HEV) ist Leichtbau eines der wichtigsten Kernthemen, das auch durch die schweren, aber erforderlichen Akkus bedingt ist.

Bestätigt wird diese Sicht von einer Studie, die am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart durchgeführt wurde und die zu dem Ergebnis kommt, dass sich mittel- bis längerfristig Multi-Material-Strukturen im Karosseriebau durchsetzen werden. Solche, heute noch relativ teuren Strukturen werden mit hoher Wahrscheinlichkeit sogar in die kleineren Fahrzeugsegmente vordringen.

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Im Hinblick auf den Material-Mix ist davon auszugehen, dass sich auf der Basis von Leichtbaukonzepten und den auch intensiv ausgeloteten Modularisierungslösungen (Bild 1) Karosserien aus hoch- bis höchstfesten Stahlwerkstoffen, Aluminiumwerkstoffen sowie nicht verstärkten als auch faserverstärkten Kunststoffen zusammensetzen werden.

Laut einer Studie der Berylls Strategy Advidors GmbH wächst der Markt für Karosserieleichtbau bis 2025 um durchschnittlich 15 % jährlich. Diese Annahme basiert auch darauf, dass der Leichtbau als strategischer Hebel genutzt wird, um die verschärften CO2-Flottenziele zu erreichen, wobei sogar Mehrkosten akzeptiert werden. Mit etwa 20 bis 25 % hat die Karosserie einen relativ hohen Anteil am Fahrzeuggewicht (Bild 2).

Die Berylls-Studie geht von folgendem Szenario für 2025 aus: Hoch- und höchstfeste Stahlwerkstoffe werden mit circa 45 % Marktanteil zu den wichtigsten Werkstoffen gehören und konventionelle Stähle verdrängen. Aluminium wird seine Nischen verlassen und in mittleren bis großen Fahrzeugen einen Marktanteil von 20 bis 50 % erreichen. Dadurch wächst der Aluminiumanteil in der Karosserie um durchschnittlich knapp 23 % jährlich, so die Prognose dieser Studie. Durch eine signifikante Kostenreduktion in der Großserienfertigung werden auch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) vermehrt verwendet werden. Dieses Szenario deckt sich mit den Ergebnissen der IFU-Studie.

Neue Produktionsverfahren verbessern die Umformbarkeit

Die größte Aufmerksamkeit im Bereich der Herstellverfahren richtet sich derzeit auf die Verarbeitung von Aluminium- und CFK-Werkstoffen. Im Rahmen des Forschungsprojekts Forming Materials Aluminium and Magnesium (Format) des Leichtmetallkompetenzzentrums Ranshofen (LKR) konnten neue Produktionsverfahren zur Verbesserung der Umformbarkeit entwickelt werden.

Mit diesen Verfahren lässt sich die Tiefziehbarkeit von neu entwickelten, schwer umformbaren und hochfesten Aluminiumwerkstoffen laut LKR um bis zu 100 % steigern. Deshalb sollen künftig auch Aluminiumwerkstoffe an jenen Stellen der Karosserie eingesetzt werden können, die bisher aus Gründen der Struktursteifigkeit und Crash-Performance in Stahl ausgeführt wurden.

Die Herstellung von CFK-Bauteilen unterliegt derzeit großen Entwicklungsschritten. Dabei werden zunehmend effizientere Prozesse zur Herstellung geschaffen und zur Serienreife gebracht. BMW konnte die Kosten der Herstellung seiner CFK-Bauteile für das „project i“ nach eigenen Angaben mittlerweile um bis zu 50 % senken – dies ist eine relative Angabe, konkrete Zahlen liegen nicht vor (Bild 3).

Krauss-Maffei hat eine seriennahe Produktionszelle zur automatisierten Herstellung von CFK-Bauteilen entwickelt, die bereits mit allen gängigen Matrixsystemen prozesssicher arbeitet. Mit dieser Produktionszelle können Karosserieteile mit einer Größe bis 1 m2 gefertigt werden – auch in diesem Fall liegen noch keine konkreten Zahlen zur Wirtschaftlichkeit vor.

Die Automobilhersteller erkunden seit geraumer Zeit mit hoher Intensität Möglichkeiten der Modularisierung und der daraus resultierenden Inline-Fertigung unterschiedlicher Fahrzeuge (Bild 1). Dieser Trend wird sich auch bei Kleinstfahrzeuge fortsetzen, die in der IFU-Studie besonders betrachtet werden. Volkswagen hat zu diesem Zweck einen modularen Produktionsbaukasten entwickelt, der die Fertigung unterschiedlicher Fahrzeuge auf derselben Produktionslinie ermöglichen soll.

Über ein ähnliches Produktionskonzept wird auch aus der Renault-Nissan-Allianz berichtet, die im nordenglischen Sunderland den konventionell angetriebenen Nissan Qashqai und den batteriegetrieben Nissan Leaf auf der gleichen Linie fertigt. Auch Renault fertigt den konventionell angetriebenen Clio und den batteriegetriebenen Zoe auf derselben Fertigungslinie.

Die größte Herausforderung ist die Reichweite der Fahrzeuge

Die Besonderheit bei der Nissan-Fertigung ist der Einsatz von Zulieferern direkt in der Montage. Laut Nissan sind rund 800 der 7000 in Sunderland beschäftigten Mitarbeiter bei einem Zulieferer angestellt. Drei Zulieferunternehmen sind mit der Herstellung von Baugruppen direkt im Karosseriebau beauftragt. Im Karosseriebau verfolgt Nissan nach eigenen Angaben sehr stringent weltweit standardisierte Prozesse auf weltweit standardisierten, im eigenen Haus entwickelten Anlagen.

Die größte Herausforderung für die in der IFU-Studie betrachteten Batterie-Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge ist die Reichweite. Sie entspricht mit derzeit maximal knapp 200 km noch lange nicht dem Standard von verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen. Ein aktuelles Forschungsprojekt von IBM beschäftigt sich mit Lithium-Luft-Batterien, die allerdings eine Reichweite bis 800 km gewährleisten und bis 2020 Serienreife erreichen sollen.

Im Rahmen der Studie des IFU wurde neben der allgemeinen Betrachtung und Auswertung des Karosseriebaus für vornehmlich kleinere Fahrzeuge mit batterieelektrischen und hybriden Antriebskonzepten eine Datenbankanwendung programmiert, die es ermöglicht, jedes beliebige Fahrzeug nach Kategorien aufgeschlüsselt zu klassifizieren. Dadurch ist eine gezielte Analyse von Karosseriekonzepten möglich.

Vergleichsfunktion der Datenbank erleichtert Auswertung von Trends

Die erfassten Fahrzeuge können als Portrait abgebildet oder miteinander verglichen werden. Die Vergleichsfunktion lässt sich auf das gesamte Fahrzeug anwenden oder auf einzelne Aspekte beschränken: zum Beispiel auf Hersteller/Modell, Werkstoffe, Gewicht und Produktion (Bild 4).

Als Ergebnis liefert die Datenbank Berichte in der gewünschten Form, also entweder als einzelnes Fahrzeugportrait oder als Vergleich verschiedener Fahrzeuge nach allen oder einzelnen Kategorien. Diese Berichte dienen vor allem der Auswertung von aktuellen Trends im Karosseriebau und somit der Ableitung von künftigem Forschungsbedarf und voraussichtlich eintretenden Entwicklungen am Fahrzeugmarkt.

Derzeit umfasst die Datenbank acht Modelle – sie wird vermarktet.

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