BMW Smartes Fügen und Messen ermöglichen den Leichtbau-Materialmix bei BMW

Redakteur: Peter Königsreuther

Jüngst hat das BMW-Werk in Dingolfing ausgewählten Journalisten sehr tiefe und interessante Einblicke in seine Füge- und Messtechnik-Philosophie im Karosserie-Leichtbau gewährt.

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Bei BMW in Dingolfing gelingt der Karosseriebau mit CFK, höchstfestem Stahl und Aluminium durch den Einsatz diverser Klebeverfahren sowie Nieten oder gewindeformende Schrauben in Kombination mit Kollege Roboter. Hier sieht man die Montage diverser Komponenten an einem 7er-Karosseriegerippe im CFK-Stahl-Aluminium-Mix.
Bei BMW in Dingolfing gelingt der Karosseriebau mit CFK, höchstfestem Stahl und Aluminium durch den Einsatz diverser Klebeverfahren sowie Nieten oder gewindeformende Schrauben in Kombination mit Kollege Roboter. Hier sieht man die Montage diverser Komponenten an einem 7er-Karosseriegerippe im CFK-Stahl-Aluminium-Mix.
(Bild: BMW)

Anhand von Expertenvorträgen wurde verdeutlicht, wie der moderne Karosserie-Materialmix-Leichtbau im Premiumsegment produktiv, fast mannlos und in höchster Qualität funktioniert. Ein anschließender Rundgang durch die entsprechenden Hallen vertiefte diese Informationen mit Impressionen aus der Praxis. BMW setzt dabei von Anfang an auf moderne Messtechnik, etwa mit Scannern, die eine komplette Karosserie in relativ kurzer Zeit in 3D-Daten umwandeln. Abweichungen von den Sollwerten können damit so früh wie möglich identifiziert und Korrekturmaßnahmen rechtzeitig an die Fertigung gemeldet werden. Der Werkleiter Dr. Andreas Wendt: „Das übergeordnete Ziel ist es, eine langzeitstabile Produktion mit maximal möglicher Qualität zu erreichen. Das gelingt uns mit intelligenter Mess- und Fügetechnik auch beim Materialmix aus CFK mit hochfesten Stählen und Aluminium.“

Moderner Materialmix braucht den pfiffigen Fügemix

Der Mischbau stelle neue Ansprüche an die Fügetechnik, ergänzte Thomas Richter, der bei BMW unter anderem die Verbindungstechnik leitet. Schweißen scheide für CFK aus. Primär setzte man dabei auf kraftschlüssige Verbindungen durch Kleben. Viel Know-how konnte BMW dazu bei der Fertigung der Modelle BMW i3 und BMW i8 aufbauen, so Richter. Die Klebetechnik stelle beim Fügen von Karosserieteilen aus unterschiedlichen Materialien eine mechanische Verbindung ohne direkten Kontakt her und sorge dabei auch für einen optimalen Korrosionsschutz. Noch steifer und betriebsfester wird alles durch ergänzende Verfahren, wie diverse Nietprozesse oder neuartige Schraubverbindungen. Roboter sorgen dabei für die nötige Prozesssicherheit.

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Die richtige Kleberdosierung vermeidet zusätzliche Probleme

Außer dem Materialmix seien auch Weiterentwicklungen der Bauteile die Motoren, die für Innovationen in der Fertigungstechnik sorgten. Eine reduzierte Anzahl von Bauteilen etwa, bedeutet natürlich auch weniger Gewicht am Fahrzeug. Ein einziges Bauteil anstelle von bisher zig Einzelteilen etwa schafft zusätzliche Präzision allein durch die verkürzte Toleranzkette. Auch reduziert das die Bevorratung der Einzelkomponenten und alle Probleme die viele Einzelteile mit sich bringen können. Dennoch erforderten integrierte Bauteile zusätzliche und geometrisch komplexere Anbindestellen an benachbarte Bauteile. Beispielsweise kommt es beim Klebstoffauftrag auf eine besonders präzise Dosierung an, so Richter. Das sorgt sowohl für die Festigkeit der Verbindung als auch dafür, dass verschmutzte Karosseriebauanlagen und Lackbädern, etwa durch Klebstoffreste, nicht vorkommen, heißt es.

Dachrahmen in Karosseriebau und Lackiererei fügen

Mit dem BMW 7er feierte, wie die Experten aus Dingolfing betonen, erstmals ein Mischbauansatz von CFK, Aluminium und höchstfestem Stahl sein Debüt in der automobilen Serienfertigung. Festigkeit und Steifigkeit der Fahrgastzelle erreichten damit ein neues Niveau - bei gleichzeitig reduziertem Fahrzeuggewicht. In der Fügetechnik realisiert die BMW Group die mechanische Verbindung nicht nur durch Kleben sondern auch mithilfe von Blindnieten und Halbhohlstanz-Nieten ohne Vorloch zum Einstecken. Leichtbaukonstruktionen am Dach und an den Teilen, die das Dach tragen sollen, senken außerdem den Schwerpunkt des Fahrzeugs und verbessern gleichzeitig die Fahrdynamik, betont BMW. Zusätzlich sollen CFK-Verstärkungen, die auch am Dachrahmen vorzufinden sind, die Sicherheit des Fahrzeugs im Fall eines Überschlags.

Thermoplastischer Träger für die CFK-Verstärkung

Das CFK-Bauteil ist dabei von Stahl umschlossen. So werde der Dachrahmen deutlich stabiler, ohne aber schwerer zu werden. Die Besonderheit dieser innovativen Verstärkung sei, dass das CFK-Bauteil innen hohl ist. Der zur Herstellung des CFK-Bauteils erforderliche Blasformkern besteht aus einm thermoplastischen Kunststoffschlauch. Dieser dient zunächst als Träger, der mit CFK-Fasern umflochten wird, so BMW. Sei die Harzmatrix per RTM-Verfahren ausgehärtet, könne der Kunststoffkern entfernt werden. BMW unterstreicht, dass Marktbegleiter die Kerne meist nicht wieder entfernen. In Dingolfing aber trägt die Entfernung des Prozesshilfsmittels Kunststoffträger zur Gewichtsreduzierung der Karosserie zusätzlich bei.

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Temperaturführung trickst Ausdehnungsdifferenzen aus

Für die Anbindung des Dachrahmens an die Karosserie gelte es zu berücksichtigen, dass sich die Materialien CFK, Stahl und Aluminium später im Lacktrockner unterschiedlich verhalten werden. Während sich bei CFK eine Erwärmung auf 180 °C quasi nicht auswirkt, dehnen sich Stahl und insbesondere Aluminium deutlich unterschiedlich stark aus, erklärt BMW. Dieser vorübergehende Längenzuwachs mache sich besonders an den Enden des Dachrahmens bemerkbar, also an den Fügestellen zu Vorder- und Hinterbau. Im Karosseriebau darf folglich nur die B-Säule, etwa in der Mitte des Dachrahmens, durch Niete und eine relativ geringe Klebefläche fixiert werden. An den Aufnahmestellen bei Vorder- und Hinterbau werde der Dachrahmen nur vorfixiert. Für die kraftschlüssige Verbindung an diesen Stellen und an der B-Säule sorge dann Klebstoff, der nach dem Abkühlen der Karosserie in die Hohlräume zwischen Stahlblech und CFK injiziert werde. Außerdem kann man den unterschiedlichen Ausdehnungseffekten, die den Materialmix begleiten, durch eine geschickte Temperaturführung austricksen, wie die Experten bei BMW verraten. Das dauere zwar etwas länger als bei anderen Autobauern, schaffe aber viele Probleme aus der Welt.

Aluguss macht mit dem Teilewust dann Schluss

Mit dem Hecklängsträger aus Alu-Druckguss verfügen die Karosserien der 5er Limousine und des Touring, der BMW 6er Gran Turismo und der BMW 7er über eine innovative Konstruktion, die neue Maßstäbe in Sachen Präzision und Crashsicherheit setzt und dabei einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts leistet, so die BMW-Protagonisten. Und in der Fügetechnik gehe die BMW Group neue Wege, um ein so zentrales Bauteil nach dem Mischbauprinzip an weitere Karosserieteile anzubinden.

Die jüngste Entwicklungsstufe fasst den Hecklängsträger beim BMW 6er Gran Turismo in einem einzigen Aludruckgussteil zusammen. Beim Vorgängermodell BMW 5er GT waren noch 25 einzelne Bauteile je Seite erforderlich. Außer einer Gewichtsreduzierung von 15 kg für beide Träger – die wirksamste Einzelmaßnahme in der Rohkarosserie beim neuen BMW 6er GT - bietet diese Konstruktion den Vorteil einer besonders hohen Maßhaltigkeit. Das mache das bei anderen Autobauern ziemlich martialische Richten per Hand durch den Einsatz einer Art „Bauteilmassage“-Vorrichtung, die Sollmaßabweichungen gezielt und automatisch „weg knete“, obsolet. Denn maßhaltige Bauteile sind die Basis für eine präzise gefertigte Karosserie, mit der Zahl der Bauteile sinken gleichzeitig die Fertigungstoleranzen. Außerdem bietet das Aludruckgussverfahren hohe Gestaltungsflexibilität in der Geometrie.

Jedes Teil ist auf seine spezifische Belastung hin auslegbar

So können für dieses Bauteil verstärkende Knotenverbindungen konstruiert werden, die die Fahrzeugsteifigkeit erhöhen. Das Mischbauprinzip im intelligenten Materialmix stellt zusätzlich sicher, dass jedes Karosserieteil den jeweiligen konstruktiven Anforderungen beispielsweise an Gewicht und Steifigkeit optimal entspricht, so BMW. Aus den zahlreichen Anbindungsstellen des Hecklängsträgers an Karosserieteile aus unterschiedlichen Materialien ergeben sich aber auch hohe Ansprüche an die Fügetechnik, heißt es. Im Mischbau stellten die Klebeverbindungen auch sicher, dass zwei Karosserieteile aus unterschiedlichem Material sich nicht direkt berühren, denn sonst könne es zur sogenannten Kontaktkorrosion kommen. Die Klebenähte sorgen auch für eine hohe Steifigkeit und Betriebsfestigkeit. Im Klebeprozess sei aber höchste Präzision gefragt: Die Fügeflansche müssten vollständig gefüllt sein, um eine dichte Verbindung herzustellen. Zu wenig Klebstoff würde die Qualität der Verbindung beeinträchtigen. Zu viel Klebstoff würde jedoch zu einem Austritt an den Fügestellen führen und, wie bereits erklärt, Karosseriebauanlagen sowie Lackbäder verschmutzen.

Kleberauftrag in höchster Präzision ist gefragt

Eine aufwändige Auftragsüberwachung stelle sicher, dass genau die richtige Menge Klebstoff aufgetragen werde. Kameras prüfen anschließend das Klebstoffbild am Flansch, so BMW. Am Ende der Prozesskette Kleben steht eine Sichtprüfung, die den eventuellen Austritt von Klebstoff nach dem Fügen entdecken soll, und durch eine Kameraaufnahme ergänzt wird. Zusätzlich würden die Klebeverbindungen mittels mechanischer Fügetechnik, zu der etwa selbst formende Schrauben gehörten, verstärkt. Letztere, die beim Eindrehen ins Alu-Druckgussteil ihr Gewinde von alleine ausbilden, erhöhen die Belastbarkeit weiter und fixieren die Fügeflansche bis zum Aushärten der Klebstoffe, erklären die Dingolfinger. Erst danach habe die Klebeverbindung ihre endgültige Festigkeit erreicht.

Die selbst formenden Schrauben kommen aber auch am Hecklängsträger zum Einsatz weil es sich dabei um ein crashrelevantes Bauteil handelt. Automatisiert und voll in den Fertigungstakt der Hecklängsträger-Montage integriert, binden sie das Sicherheitsbauteil seitlich an die angrenzende Fahrzeugstruktur an, so BMW.

Gib mir die Kugel: genialer Clip im Lego-Prinzip

In der Verbindungstechnik setzt die BMW Group immer häufiger auf die Eigenentwicklung „L3 go“, wie es heißt. Dabei handelt es sich um ein patentiertes, hochpräzises Befestigungssystem mit Kugel und Clip. Das recht einläuchtende Prinzip kennt man ein Bisschen von der Lego-Kupplung: eine Kugel und ihr Gegenstück, ein Clip, lassen sich schnell und unkompliziert miteinander verrasten. Dei Kugelgeometrie „zieht“ den Clip außerdem regelrecht von selber in die unterste mögliche Rastposition. Je nach Anwendungsfall bestehen Kugel und Clip aus Kunststoff oder Metall. Auch das Fertigungsverfahren für die Kugel und die Fügetechnik für ihre Befestigung auf dem Bauteil sollen sich ganz nach dem Anwendungsfall orientieren. Dem Einsatz von L3 go seien grundsätzlich kaum Grenzen gesetzt. Die Kugeln könnten einzeln oder mehrfach übereinander an die Karosserie oder Einzelteile aufgeschweißt, eingepresst oder sogar im 3D-Druck-Verfahren appliziert werden. Auf diesem Kugelverbindungselement wird anschließend ein Bauteil unkompliziert geometrisch positioniert und fixiert. Außerdem ist der Clip wieder lösbar.

Leichtere Montage schafft mehr Fahrkomfort

Außerdem vermindert der kugelbasierte Clip im Vergleich zu heraus stehenden Schrauben oder Stiften die Verletzungsgefahr bei der Montage. Im Karosseriebau feierte der L3 go beim aktuellen BMW 7er Premiere und kommt inzwischen auch beim BMW 5er und beim BMW 6er Gran Turismo zum Einsatz. Je nach notwendiger Bauhöhe werden eine oder zwei Kugeln übereinander aufgeschweißt. In der Bauteilmontage dient der L3 go nun als Ersatz für eine Schraubverbindung. Damit senke BMW die Produktionskosten und vereinfache schon heute die Befestigungsprozesse enorm. Bohrlöcher sind dabei nicht erforderlich, heißt es. Das Karosserieblech müsse deshalb auch nicht durch einen Stopfen wieder verschlossen werden. Das schaffe beim Fahren nicht zuletzt eine angenehmere Geräuschkulisse. Die Integration der Clipgeometrie in ein Bauteil ist, wie es heißt, bereits in einigen weiteren Anwendungen umgesetzt. So lasse sich das Bauteil ganz ohne Clip auch direkt auf die Kugel fixieren. Eine Vielzahl von Patentanmeldungen unterstreiche das Potenzial, das die BMW Group in L3 go sieht.

Clips Dir den Wunsch-MINI

L3 go eignet sich folglich auch dann besonders gut, wenn eine Verbindung zwischen Bauteilen zu einem späteren Zeitpunkt wieder lösbar sein soll. Für die Individualisierung von Fahrzeugen sollen sich damit völlig neue Welten erschließen lassen. Und noch in diesem Jahr starte das Angebot „MINI Yours Customised“: Kunden zahlreicher MINI Modelle haben dann erstmals die Möglichkeit, ausgewählte Nachrüstprodukte in einem Online-Shop selbst gestalten und bestellen zu können. Dieses Individualisierungsprogramm umfasst beispielsweise Side Scuttles (Einleger der Seitenblinker) im Außenbereich und Dekorleisten für den Fahrzeuginnenraum. Die Herstellung dieser Unikate erfolgt unter Einsatz verschiedener 3D-Druckverfahren. Beim Druck der Dekorleisten wird das Kugelverbindungselement gleich auf die Unterseite der Blende mitgedruckt. Mit wenigen Handgriffen kann der MINI Servicepartner oder der Kunde selbst das neue Anbauteil am Fahrzeug anbringen.

Mit Laser, Radar und Flächenscanner: nichts geht ohne moderne QS

Seit 2016 leiste die optische Messzelle im Pilotwerk in München einen wichtigen Beitrag zur Reife von Vorserienfahrzeugen: Frei bewegliche Roboterarme bilden mithilfe von Sensoren das gesamte Fahrzeug dreidimensional ab und generieren aus den erfassten Daten ein 3D-Datenmodell, dessen Genauigkeit bei unter 100 µm liege. Der neue 5er-BMW profitierte erstmals von der neuen Technik. Ab dem Übergang eines neuen Modells vom Pilotwerk ins Serienwerk formen Serienwerkzeuge Karosserieteile und lösen die noch für den Protoypenbau verwendeten Versuchswerkzeuge ab, wie BMW informiert. Eine Weiterentwicklung der Münchner Anlage steht nun auch den Messtechnikspezialisten im Karosseriebau in Dingolfing zur Verfügung: die 3D-Flächenscan-Messanlage.

Komplett lückenlose Karosseriemessung in 3 Stunden

Eine Besonderheit der neueren Anlage im Serienwerk ist, dass sie für die Vermessung der gesamten Rohkarosserie weniger als drei Stunden benötigt – bei einer Genauigkeit von ebenfalls unter 100 µm. Zur Vermessung müssten weder Punkte noch andere geometrische Referenzen an der Karosserie angebracht werden, was einen zusätzlichen Zeitgewinn bedeute. Bereits zum Serienanlauf der BMW 5er Limousine im Einsatz, lieferte diese Anlage zunächst wichtige Erkenntnisse zur Feinjustierung von Produktionsanlagen und Fertigungsprozessen, so BMW. Die Messergebnisse werden dabei farblich angezeigt und sind damit leicht und fehlerfrei interpretierbar. Die Dingolfinger Messtechnikspezialisten überprüften in der Anlaufphase zahlreiche

Rohkarosserien. Mithilfe der besonders genauen 3D-Flächendaten werde eine kontinuierliche Beurteilung der Präzision im Karosseriebau möglich. Die Experten können Korrekturen umgehend einleiten und außerdem Abweichungen schnell abstellen, heißt es.

Fehlerhaften Bolzen per Radar auf der Spur

Beim BMW 5er und BMW 6er GT misst eine Laser Radaranlage inline, also direkt in der Fertigungslinie, stichprobenartig den exakten Sitz der auf die Bodengruppe aufgeschweißten Bolzen. Dabei gilt die Philosophie des Regelkreises, denn die hohe Zahl an Messdaten macht bereits frühzeitig Trends erkennbar. Gegensteuern wird möglich, lange bevor es zu Abweichungen außerhalb der zulässigen Toleranz kommt. Als wesentlicher Vorteil der in den Fertigungstakt integrierten Messung gilt, dass sofort verfügbare Messergebnisse auch unmittelbare Korrekturen zulassen. Aber auch mit dem klassischen Vorteil des Messraums, einer absolut-genauen Messung, kann die Anlage dienen. Denn wie im Messraum nehmen alle beteiligten Komponenten eine feste Position ein. Nächster Schritt ist die direkte Kommunikation zwischen Messanlage und dem Schweißroboter, der dann eigenständig seine Einstellung korrigiert. Die Idee zu dieser Ausbaustufe stammt von den Fertigungsmitarbeitern und ist ein Beispiel für das Zusammenspiel der Mitarbeiter von Planung und Produktion.

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