Fahrzeugleichtbau ist kein Auslaufmodell

Warum überhaupt Leichtbau, wenn bald klimaschonend E-Autos autonom mit alternativ erzeugtem Strom fahren? So weit ist es längst noch nicht, sagt Automobil-Industrie-Chefredakteur Claus-Peter Köth. Er ermunterte Experten aus der Fahrzeugbranche auf dem Leichtbaugipfel 2018 in Würzburg zu neuen Gedanken.

14. Mai 2018
Im Audi A8 werden 29 verschiedene Materialien eingesetzt  darunter Stahl, Aluminium und CFK-Magnesium. (Bild: Audi)
Bild 1: Fahrzeugleichtbau ist kein Auslaufmodell (Im Audi A8 werden 29 verschiedene Materialien eingesetzt darunter Stahl, Aluminium und CFK-Magnesium. (Bild: Audi))

Äußerst gespannt sein konnten die Besucher des Leichtbaugipfels 2018 auf die Podiumsdiskussion mit dem Thema „Leichtbau komplett neu denken“.  Doch zuvor stand ein Impulsvortrag von Rainer Kurek, dem Geschäftsführer von Automotive Management Consulting aus Penzberg an, der Leichtbau als Innovationstreiber ansieht.

Leichtbau scheitert an hohen Investitionen

Laut AMC-Studien scheitert Leichtbau oft an den hohen Investitionen, wenn Hersteller nur simpel Werkstoffe ersetzen. Es komme stattdessen auf eine systemische Strategie an, die Funktions-, Konzept-, Verbindungstechnik- und Fertigungstechnik-Leichtbau miteinander verknüpft. Der Fahrzeugexperte empfahl , die Projekthaus-Struktur wieder zu beleben, deren verzahnte Arbeitsweise die Effizienz in der Produktentstehung erhöht und den finanziellen sowie zeitlichen Aufwand senkt.

Kurek: „Wenn wir Synergien bei der Produktentstehungsprozess nutzen, wird preiswerter Leichtbau leichter möglich und die Innovationskraft nimmt zu. Das gelingt aber nur, wenn wir gemeinsam einen klaren, nachvollziehbaren, an Synergien orientierter Produktentstehungsprozess leben und umsetzen.“

„Welchen Stellenwert spielt Leichtbau bei der Entwicklung einer Luxuslimousine wie dem Audi A8?“, fragte bei der anschließenden Podiumsrunde Chefredakteur Claus-Peter Köth Frank Vernier vom Audi-Leichtbau-Zentrum. „Bei jeder Gesamtauslegung eines Premium-Fahrzeuges gehört ein bestimmtes Maß an Leichtbau dazu, um Eigenschaften wie Agilität auf Premiumqualität zu halten“, erläuterte Vernier. „Bei den Elektrofahrzeugen gilt es außerdem, die Mehrgewichte durch die Elektrifizierung zu kompensieren.“

Mischbauweise mit 29 Materialien

Wie gut das gelingt, zeigt ein Blick auf das 24 Jahre alte ASF-Konzept, bei dem Audi von der Mono-Werkstoffkultur zur Mischbauweise wechselt e. Im Audi A8 werden 29 verschiedene Materialien eingesetzt – neben Stahl, Aluminium und CFK auch neuerdings Magnesium. Stolz präsentierte Audi in Würzburg die neue CFK-Montagerückwand, die im Vergleich zum Vorgänger 50 Prozent ausfällt.

„Wie wichtig ist Leichtbau für die Fahreigenschaften des neuen 6er GT?“, fragte Köth BMW-Planungsleiter Klaus Sammer. „Wie hat er sich insgesamt weiterentwickelt im Vergleich zum Vorgängermodell 5er GT.“ Ein wesentliches Element der BMW-Strategie – so der Experte vom BMW-Leitwerk Dingolfing – spielt der um rund zehn Prozent höhere Einsatz an Aluminium. „Wir werden künftig in dieser Fahrzeugklasse alle Außenhautteile aus Aluminium herstellen“, sagte Sammer.

15 Kilogramm leichter

Bei tragenden Bauteilen setzt der Automobilhersteller auf höchstfeste Stähle, schließt aber auch dort langfristig den Einsatz von Aluminium nicht aus. Ein Paradebeispiel für diese Strategie ist der neue Hecklängsträger, bei dem ein einziges Aluminium-Druckgussteil die beim Vorgängermodell 5er GT noch nötigen 25 Bauteile ersetzt. Das bedeutet: Beide Träger zusammen sind nun ganze 15 Kilogramm leichter – die wirksamste Einzelmaßnahme in der Rohkarosserie des neuen 6er GT.

Aber auch die von Kurek angesprochene Projekthaus-Kultur mit einem klaren Miteinander von Auftraggeber und Lieferanten wird bereits bei BMW gelebt. „Zu jedem Werkstoff und Verfahren gibt es bei uns eine Haustechnologie, die für den jeweiligen Lieferanten die Verantwortung übernimmt“, erläuterte Sammer. „So unterstützt das Gusszentrum in Landshut die Lieferanten. Eine der Stärke von BMW besteht darin, das wir im Sinne des Projekthaus verstärkt vernetzt zusammenarbeiten.“

Der Erfolg einer Leichtbau-Strategie steht und fällt mit der Fertigung. Hier geht der Autokonzern Daimler neue Wege, die sich schon an der neuen Position von Dr. Thomas Behr, Leiter Hardware und Digital Technologies, festmachen. Dazu zählt die additive Fertigung, in die Daimler 2016 serienmäßig – unter anderem mit dem 3D-Druck „on demand“ von Kunststoff-Lkw-Ersatzteilen in Originalteile-Qualität – einstieg. 2017 folgte der Einstieg in den metallischen 3D-Druck.

Steifigkeit erhöhen und Design optimieren

Die additive Fertigung ist für ihn eine Chance, dank Topologieoptimierung einen „maximalen Leichtbau“ zu erreichen, der nicht nur die Masse senkt, Steifigkeiten erhöht und das Bauteildesign lastengerecht optimiert, sondern der auch die Mehrkosten für den 3D-Druck deutlich reduziert. Am Beispiel eines bisher per Spritzguss hergestellten Gepäckablage-Endstücks zeigte der Konzernforscher auf, wie sich dank Umstieg auf 3D-Druck und neuem Design das Gewicht um 75 Prozent senken ließen.

Behr: „Dank moderaten Mehrkosten von 15 Prozent ist das Verfahren für Kleinserien bereits heute wirtschaftlich.“ Das ist eines der Beispiel für preiswerten Leichtbau. Ähnliche Erfolge wünscht sich Behr auch für den metallischen 3D-Druck.

Viel Know-how in Sachen 3D-Druck besitzt das bekannte Entwicklungshaus EDAG Engineering, das 2017 für das „Additiv gefertigte Leichtbau-Haubenscharnier mit integriertem Fußgängerschutz“ den begehrten Materialica-Award erhielt. Es handelt sich um eine typische Projekthaus-Lösung mit dem Voestalpine-Additive-Manufacturing-Center aus Düsseldorf und Simufact Engineering aus Hamburg, die mit Edag das Gewicht der Stahlkonstruktion von drei auf 0,77 Kilogramm senkten.

Entwicklungskosten und -zeiten senken

Aufgrund derartig positiver Erfahrung warb Dr. Martin Hillebrecht, Leiter Competence Center Leichtbau bei Edag, für additive Techniken: OEMs sollten sie nicht nur für den Leichtbau nutzen, sondern auch zum Senken von Entwicklungskosten und -zeiten.

Von dem Leichtbauspezialisten, der nicht nur in der Automobilindustrie unterwegs ist, wollte Chefredakteur Köth bei der Podiumsdiskussion wissen, „was denn die Branche aus anderen Industriezweigen lernen kann“. „Die additive Fertigung setzen andere Branchen wie etwa die Luftfahrtindustrie, Medizintechnik oder Schmuckindustrie und auch viele Exoten schon seit längerem in der Serienproduktion ein“, meinte Hillebrecht.“

 

Leichtbau gelingt nur bei ganzheitlicher Vorgehensweise. „Doch wie stark ist die systemische Denkweise bereits in den Köpfen der Fahrzeugentwickler verankert, welches Potenzial lässt sich da noch heben?“, lautete die Frage an Heinrich Timm, Vorstandsmitglied bei Carbon Composites. Für den früheren Audi-Entwickler des Aluminium Space Frames steht aus langjähriger Erfahrung fest, dass der systemische Vorgehensweise auf jeden Fall besser als die singuläre Betrachtungsweise funktioniert.

Preis pro Kilogramm

Als Beispiel dafür sieht er natürlich den Einsatz von Carbon Composites, vor dem viele Entwickler schon beim einseitigen Blick auf „Preis pro Kilogramm“ zurückschrecken. Timm: „Wenn ich aber systemisch denke und nicht Kilogramm mit Kilogramm, sondern Funktion mit Funktion vergleiche, kann ich etwa bei den Leichtbaugüten sehr viel mehr erreichen. Mit Carbon Composites kann ich bereits mit sehr wenig Einsatz viel bewirken.“

Diese Hybridbauweise ist in der Automobilbranche bereits im Kommen, wobei der Audi-Leichtbauexperte diesen Begriff nicht nur auf die Kombination von unterschiedlichen Werkstoffpaarungen beschränkt. „Hybrid kann ein Bauteil auch sein, dass nur aus einem Material besteht, das aber lokale unterschiedliche Eigenschaften besitzt oder aber unterschiedlich be- und verarbeitet wurde“, gab Venier zu bedenken.

 

Stahl mit Kunststoff

Als den aktuellen Stand der Technik bezeichnet er hybride Lösungen im Karosseriebau, der bereits standardmäßig in der B-Säule Stahlsorten mit variierenden Blechdicken und Festigkeiten einsetzt. Der nächste hybride Schritt sei die Kombination von Stahl mit Kunststoff, die Audi im A7 in tragenden Strukturen verwendet.

Hybride Bauweise verlangt aber auch neue Formen der Zusammenarbeit. „Viele komplexe Leichtbautechnologien lassen sich nicht mehr mit dem klassischen, bilateralen Zusammenspiel von OEM mit Lieferanten bewältigen“, beobachtete Hillebrecht. „Es gibt nämlich mittlerweile sehr komplexe Wertschöpfungsketten, die sich ständig ändern.“ Daher sei heute oft sehr detailliertes Spezialistenwissen gefragt. Eine gute Lösung sei die frühzeitige Einbindung von neutralen Engineeringpartnern.

Warum spielt aber bei allen diesen spannenden Innovationsprozessen der automobile Leichtbau im Vergleich etwa zur Elektromobilität in der Öffentlichkeit kaum eine Rolle? Timm brachte es auf den Punkt: „Wir sollten wieder ganzheitliche Fakten sprechen lassen. Nehmen wir doch einfach mal einen Vergleich: Ein Tesla S90 wiegt 60 Prozent mehr als ein BMW i3 und verbraucht rund 50 Prozent mehr Strom. Und da behaupte noch jemand, Leichtbau spiele beim Elektroauto keine Rolle.“