Werkstoffe 14.09.2007, 19:30 Uhr

Mehr Leichtigkeit im Fahrzeugbau  

VDI nachrichten, Hannover, 7. 9. 07, Si – Automobilhersteller setzen verstärkt auf den Einsatz leichter und hochfester Materialien. Vor allem mit Aluminium wollen sie die Leistungsfähigkeit ihrer Fahrzeuge steigern und den Energieverbrauch reduzieren. Um die individuellen Stärken von Kunststoffen und Metallen optimal zu verknüpfen, bündelt Audi in Neckarsulm das Leichtbau-Know-how vieler Spezialisten.

Bei beweglichen Produkten spielt das Gewicht oft eine bedeutende Rolle, denn weniger Gewicht zu bewegen bedeutet geringeren Energieaufwand. Für die Automobilindustrie hat laut Frank Venier besonders Aluminium eine große Bedeutung. Doch wie bei einem Violinkonzert, so verdeutlicht der Leiter des Projektmanagement Leichtbau bei Audi in Neckarsulm, brauche man auch bei der Entwicklung von Gewicht sparenden Fahrzeugen „ein gut eingespieltes Orchester, das gleichzeitig verschiedene Stimmen perfekt spielt“.

Deshalb könne es auch keine Werkstoff-Monokultur geben. Venier: „Wir setzen den aus Kosten- und Funktionssicht optimal passenden Werkstoff am richtigen Ort ein. Den Heckrahmenträger unseres neuen Supersportwagens Audi R8 – ein Steifigkeitsbauteil, das in der Karosserie verschraubt wird – stellen wir beispielsweise aus Magnesium her.“ Dieses Metall eigne sich insbesondere für Gussteile. Der Grund: Magnesium verfügt über sehr gute Fließeigenschaften. Deshalb können mit dem Werkstoff filigrane Geometrien gegossen werden. Bei Profilen und Blechen seien dagegen aufgrund der geringeren Umformbarkeit die Produktivität und die Gestaltungsfreiheit geringer. Deshalb ist Magnesium nach Ansicht des Audi-Leichtbauexperten dort heute noch nicht wettbewerbsfähig.

Anders beim vielseitigen Aluminium. Dieses Leichtmetall sei inzwischen in der gesamten Automobilindustrie anerkannt und könne bei Automobilen flächendeckend für alle Bereiche eingesetzt werden. Darüber hinaus stehe es großindustriell in allen Halbzeugformen zur Verfügung – als Blech, Gussteil, Profil und für den Fahrwerksbereich sogar als Schmiedeteil.

Durch den Einsatz von Aluminium kann beispielsweise gegenüber klassischer Stahlbauweise rund 43 % beim Kraftfahrzeuggewicht eingespart werden. Venier: „Diese Prozentzahl basiert auf den Erfahrungen aus unseren Serienprojekten und bezieht sich auf eine funktionsgleiche Aluminiumkarosserie.“ Dabei sei es jedoch wichtig, die Karosserie im Hinblick auf die Potenziale des Werkstoffs Aluminium, des Strukturkonzepts sowie der Fertigungs- und Fügetechnik optimal auszulegen.

Mit hoch- und höchstfesten Stählen lassen sich laut dem Leichtbauprofi maximal noch 10 % bis 15 % Gewicht gegenüber normalem Karosseriestahl einsparen. „Außerdem müssen bestimmte Stahlgüten warmumgeformt werden, so dass sie aufwendiger zu verarbeiten sind“, ergänzt Venier. Letztlich gelte es, den Preis für die funktionsgleiche fertige Baugruppe zu betrachten. Dabei seien besonders Guss- und Profilhalbzeuge geeignet, durch Funktionsintegration Leichtbau und gleichzeitig eine Kostenreduzierung über den Entfall von Einzelteilen und Fügeoperationen zu erreichen.

Damit dies möglich wurde, holte Audi schon im Jahr 1994 Know-how aus verschiedenen Bereichen zusammen. In dem damals neu gegründeten Aluminium-Zentrum tauschten Spezialisten aus der technischen Entwicklung, der Planung und Qualitätssicherung Erfahrungen aus und verfolgten gemeinsam mit Partnerfirmen ein Ziel: Es galt, das technologische Wissen aus dem ersten Audi A8 in die Großserienfertigung des A2 zu übertragen, von dem täglich bis zu 320 Fahrzeuge gefertigt wurden. Aber schon vor vier Jahren benannte Audi das Aluminium-Zentrum in Aluminium- und Leichtbau-Zentrum Neckarsulm um. Der Name dokumentiert seither, dass Forschung und Entwicklung längst über den reinen Einsatz von Aluminium hinausgehen. Am Beispiel des im vergangenen Jahr neu vorgestellten Audi TT wird deutlich, welche Erfolge durch technologische Weiterentwicklung im Leichtbau möglich sind. Venier: „Dieses Fahrzeug ist rund 100 kg leichter als ein funktionsgleiches Fahrzeug aus Stahl.“ Damit verbrauche das Automobil etwa einen halben Liter weniger Kraftstoff auf 100 km und der Kunde erhalte zugleich ein fahrdynamisch agileres Fahrzeug.

Zur Herstellung von Aluminiumteilen ist viel Know-how gefragt, deshalb erarbeiten im Neckarsulmer Leichtbauzentrum Spezialisten aus Entwicklung und Konstruktion im sogenannten Simultaneous-Engineering-Ansatz (SE) mit ihren Kollegen aus der Planung, Qualitätssicherung und Montage optimale Werkstoffkonzepte und Bauteilgeometrien. Ein Ergebnis dieser Zusammenarbeit: Heute ist der Automobilhersteller in der Lage, ein komplettes Aluminium-Karosserieseitenteil im Tiefziehverfahren als einteiliges Blech herzustellen. Ähnliche Fortschritte werden bei den hochintegrativen Druckgussteilen und Strangpressprofilen in Zusammenarbeit mit Partnerfirmen erreicht.

Der als Mischbauweise bezeichnete Einsatz verschiedener Materialien hat für Fahrzeuge viele Vorteile, stellt aber gleichzeitig hohe Anforderungen an die Verbindungs- und Fügetechnik. Denn jedes einzelne Material stellt die Fahrzeugentwickler bereits isoliert betrachtet vor eine Vielzahl eigener Konstruktionsanforderungen. Werden die Werkstoffe zudem untereinander verbunden, erhöht sich die Komplexität weiter. Die Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Werkstoffe müssen beispielsweise ebenso berücksichtigt werden wie ihr korrosives Verhalten untereinander. Beim Space Frame des neuen Audi TT verwendeten die Ingenieure und Techniker des Aluminium- und Leichtbau-Zentrums aus Gewichtsverteilungsgründen 69 % Aluminium im vorderen Teil und 31 % Stahl im Hinterwagen des sportlichen Automobils.

Schweißverbindungen in der Aluminiumstruktur werden meist mit dem MIG-Verfahren ausgeführt. Das Schweißen hat jedoch den grundsätzlichen Nachteil, dass Aluminium auf hohen Wärmeeintrag mit relativ großem Verzug reagiert. Leichtmetall-Experte Venier erläutert: „Wenn möglich, setzen wir deshalb auf wärmearme oder kalte Fügetechniken wie das Laserschweißen oder das Laser-Hybridverfahren, das eine Kombination von Laserschweißen und MIG-Schweißen darstellt.“

Kalte Fügeverfahren für Struktur und Anbauteile sind: Stanznieten, Schrauben, Falzen, Kleben. Dabei ist es häufig sinnvoll, die punktförmigen mechanischen Fügetechniken mit Klebeverfahren zu kombinieren. Gründe dafür gibt es verschiedene: Zum einen erhöht sich die Festigkeit der Verbindung, zum anderen übernimmt bei Mischverbindungen von Stahl und Aluminium der Kleber zusätzlich eine Isolieraufgabe. Denn er verhindert (zum Teil in Kombination mit einer Nahtabdichtung) den direkten Kontakt der Metalle, so dass keine Korrosion auftritt. Außerdem kann ein intelligent ausgewähltes Klebstoffkonzept auch einen Teil der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der einzelnen Werkstoffe auffangen.

Erstmals beim Audi TT eingesetzt wurden sogenannte Flow-Drill-Schrauben (FDS). Mit ihnen können Blechdicken bis zu 4 mm in Aluminium beziehungsweise 2 mm in Stahl ohne Vorloch und mit einseitiger Fügerichtung verbunden werden. Das Prinzip: Die Schraube formt spanlos mit hoher ansteigender Drehzahl und einer Anpresskraft von bis zu 1,5 kN ein Fließloch mit lehrenhaltigem Mutterngewinde. Dieser Fügeprozess wird von einem robotergestützten System mit automatischer Zuführung verarbeitet. Aufgrund des hohen Traganteils im Gewinde stellt es eine höherfeste Verbindung dar. Bei einem möglichen Reparaturfall kann die FDS durch eine herkömmliche metrische Schraube ersetzt werden. VDW/Si

Von Vdw/Jürgen Siebenlist

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