Neue Dimensionen im Karosseriebau

Fortschritte bei Werkstoffen und Verfahren

Mit dem neuen A8 hat Audi die Qualifizierung des Werkstoffs Aluminium für Karosseriestrukturen erheblich vorangetrieben. Dem Autokonstrukteur eröffnen sich dadurch neue Möglichkeiten zum Leichtbau - sowohl mit Stahl als auch mit Aluminium. Die weitere Entwicklung wird unter anderem davon abhängen, wie sich die Anforderungen an die Automobile und die Technologien verändern.

26. Juni 2003

„Aluminium ist für uns kein Credo. Uns geht es nicht um Werkstoffe an sich, sondern um Leichtbau im Automobil“, erläutert Dr.-Ing. Klaus Koglin, Leiter Technologieentwicklung der Audi AG. Im Karosseriebau habe es seit Einführung der selbsttragenden Stahlkarosserie bei Opel seit rund 70 Jahren eine weitgehende konzeptionelle Monokultur gegeben, die man jetzt dank der Qualifizierung neuer Werkstoffe und Verfahren im Rahmen der Entwicklung von Aluminiumautos überwinden könne. Dadurch gewinne der Automobilkonstrukteur wichtige zusätzliche Freiheitsgrade.

Zusätzlich komme es auch zu positiven Rückkopplungen zwischen den Werkstoffen: Die erfolgreiche Umsetzung des Aluminium-Space-Frame-Konzepts bei den A8-Modellen und beim A2 habe beispielsweise dazu geführt, daß man inzwischen auch auf der Stahlseite über Space-Frame-Ansätze beispielsweise mit Feingußknoten nachdenke. Letztlich werde dadurch bei der Karosserieentwicklung viel Kreativität freigesetzt, die zur Entwicklung besserer Automobile genutzt werden müsse. Dies verbessere die Möglichkeiten zur Erfüllung künftiger Forderungen des Fahrers an sein Automobil: Der Markt verlange optimierte Fahrzeuge, die bei aller Sparsamkeit und Sicherheit ein Maximum an Sportlichkeit und Fahrspaß ermöglichten. Wendigkeit und Fahrdynamik hingen wiederum in besonders hohem Maß vom Fahrzeuggewicht ab. Stahl ebenso wie Aluminium müßten sich daran messen lassen, wie gut sie sich für die Erfüllung dieser Wünsche eigneten. Dabei seien Hybridbauweisen ebenso denkbar wie Monokulturen.

Beim Aluminium mußte man sich dafür zunächst jedoch auf eine lange Aufholjagd begeben, weil Stahl als „Erstgeborener“ einen enormen Vorsprung hatte: „Die Qualifizierung des Aluminiums als Karosseriebau-Werkstoff für die Serie war ein langer Prozeß, der schrittweise vollzogen werden mußte“, erklärt Dipl.-Ing. Frank Venier, Leiter Technologieentwicklung im Aluminium-Zentrum von Audi in Neckarsulm. Beim Stahl sei die Technologie der Erzeugung und Verarbeitung über sehr lange Zeiträume perfektioniert worden. Das könne man nicht in einem einzigen Kraftakt aufholen. Statt dessen habe man über die Jahre im Zuge der Entwicklung der verschiedenen Aluminiummodelle - D2 („alter“ A8), W10 (A2) und jetzt D3 (neuer A8) - jeweils bestimmte Schwerpunkte gesetzt und dabei die Qualifizierung schrittweise vorangetrieben.

Aluminium: Große Quantensprünge

Beim ersten A8 sei es vorrangig um die grundsätzliche Realisierbarkeit des Audi-Space-Frames, dessen Reparaturkonzept und um ein wirklich einzigartiges Fahrzeug für die Oberklasse gegangen. Dafür wurden Abstriche beim Automatisierungsgrad der Fertigung - der mit nur 20 bis 25 Prozent relativ niedrig lag - in Kauf genommen. Inzwischen sei die damals noch heiß diskutierte Reparierbarkeit von Aluminiumfahrzeugen kein Thema mehr. Nur fünf Prozent aller Unfallschäden erforderten überhaupt Strukturreparaturen, für die man inzwischen über ein etabliertes Netzwerk qualifizierter Werkstätten verfüge. In 95 Prozent aller (Un)Fälle genüge dagegen der Austausch von verschraubten Komponenten oder von „Hang-On“-Teilen. Bei den Versicherungen bekam schon der erste A8 deshalb eine für ein Auto dieser Klasse besonders günstige Einstufung.

Erst beim nächsten Modell, dem A2, konzentrierte man sich auf die Mechanisierung der Fertigung und erreichte einen Automationsgrad von 85 Prozent. Damit wurde in etwa Gleichstand mit aktuellen Stahlmodellen wie dem A3 erzielt.

Einen langen Atem

Auch bei für den Laien zunächst so simpel erscheinenden Produkten wie den Blechen für die Außenhaut mußte einiges getan werden. Noch vor wenigen Jahrzehnten definierte sich ein Karosserieblech über vergleichsweise wenige Parameter wie Dicke, Legierung, Festigkeit und Oberflächenzustand. „Heute ist das für uns kein & pos;Blech& pos; mehr, sondern ein komplexes System mit zahlreichen genauestens definierten Eigenschaften“, erläutert K. Koglin. Bei der Festlegung der Anforderungen müsse der gesamte Lebenszyklus des Produkts von der Fertigung des Neufahrzeugs bis zum Recycling des Altautos berücksichtigt werden. Besonderes Augenmerk gelte hierbei dem „Verschlanken“ von Verarbeitungsprozessen durch Einsparung von Zwischenschritten. So wurden unter anderem spezielle Legierungen für die Außenhaut entwickelt, um eine separate Aushärtebehandlung der Karosserie einzusparen und statt dessen die Trocknungswärme des KTL-Prozesses für die Aushärtung der Karosserie zu nutzen (KTL = Kataphoresische Tauchlackierung). Dadurch kann bei bestimmten Blechen, die nicht geschweißt, sondern mit „kalten“ Verfahren wie Stanznieten, Falzen oder Kleben gefügt werden, das früher erforderliche Waschen und Passivieren entfallen.

Weitere Einsparmöglichkeiten ergeben sich dadurch, daß die Oberflächen bestimmter Bleche bereits im Herstellwerk durch eine sogenannte Passivierung vorbehandelt werden. Darauf wird noch ein Trockenschmierstoff für den Umformprozeß aufgebracht, der abwaschbar und KTL-verträglich ist sowie den direkten Auftrag von Klebstoffen zuläßt. Aufgrund dieser beachtlichen Fortschritte hat Aluminium auf diesem Gebiet mittlerweile nahezu Gleichstand mit dem Stahlblech erreicht. Inzwischen denkt man bereits über „Coil-coating“-Materialien mit mehrfach beschichteten lackierfertigen Oberflächen nach. Die Zulieferer forschen bereits intensiv an Lacksystemen, die schon im Walzwerk aufgebracht werden und alle Stanz-, Umform- und Fügeprozesse unbeschadet überstehen sollen.

Wandel der Fügetechniken

„Auf der Grundlage der bisher gesammelten Erfahrungen können wir den neuen A8 mit einem Automationsgrad von 80 Prozent fertigen“, freut sich F. Venier. Bei der Auslegung und Optimierung der Fertigungsprozesse wird inzwischen in großem Umfang die Computersimulation eingesetzt. Wie schon beim A2 wuchsen die früheren „Knotenelemente“ zu multifunktionalen Großgussteilen heran, die zusammen mit Profilen und Blechen einen steifen Space-Frame-Rahmen bilden. Während die meisten Gußteile mit Hilfe des Vakuum-Druckgießens gefertigt werden, wird bei einigen Teilen mit besonderen geometrischen Anforderungen das Sandgießen eingesetzt.

Auch die Verbindungstechnik wurde weiterentwickelt. Punktschweißen wird nicht mehr eingesetzt, dafür werden beim neuen A8 insgesamt 2.600 Stanzniete gesetzt. Neben dem konventionellen MIG-Schweißen und dem Laserschweißen wird beim A8 erstmals ein Laser-MIG-Hybridschweißverfahren eingesetzt. Dieses kann Spalte besser überbrücken als das Laserschweißen, bringt weniger Wärme ein als das MIG-Schweißen und bietet Vorteile vor allem beim Verbinden von Teilen mit stark unterschiedlicher Wanddicke. So wird es etwa beim Anschweißen von Blechteilen an das stranggepreßte Dachrahmenprofil verwendet. Weitere erstmals eingesetzte Verbindungstechniken sind das Rollfalzen sowie - bei den sogenannten „Hang-on“-Komponenten - das induktive Gelieren des im Falzbereich eingesetzten Klebers.

Besonders bedeutsam ist bei der Fertigung des neuen A8 das deutlich höhere Niveau der Beherrschung des Umformens von Profilen und Blechen sowie der Wärmebehandlung von Gußteilen. Das bei den Vorgängermodellen gesammelte Know-how ermöglicht es jetzt, diese Prozesse so sicher zu beherrschen, daß die Bauteile mit sehr engen Toleranzen in die Fertigung einlaufen. Auch bei den Montagevorrichtungen verfügt Audi über viel aluminiumspezifische Erfahrung. Beides zusammen bewirkt, daß bei der A8-Karosserie besonders enge Spaltmaße eingehalten werden können.

Aluminiumbranche: Herausforderung für die Zukunft

Trotz der bisherigen Erfolge bei Audi sollte sich die Aluminiumbranche klar machen, daß bis zum breiten Einsatz ihres Werkstoffs für Autokarosserien in der Großserie noch einige Herausforderungen anstehen. Im Unterschied zu den Stahlherstellern, die sich als Gesamtbranche sehr weitgehend den Bedürfnissen der Kfz-Hersteller angepaßt haben - siehe beispielsweise das Gemeinschaftsprojekt ULSAB (Ultraleichte Stahlkarosserie, Ultra Light Steel Auto Body) -, arbeiten die Aluminiumfirmen aus Sicht der Autobauer bisher zuwenig zusammen „Die Stahlbranche hat sich im Lauf ihrer Geschichte sehr gut auf die Bedürfnisse der Großserie abgestimmt“, sagt K. Koglin. Global produzierende Kfz-Hersteller benötigten weltweite Materialverfügbarkeit. Diesen Reifegrad habe die Aluminiumindustrie noch nicht erreicht. Die Branche müsse noch viel tun, um interne Standardisierung, Prozeßsicherheit der Herstellung und Vereinheitlichung des Materials auf das Niveau zu bringen, das die Stahlbranche ihren Kunden in der Automobilindustrie inzwischen bietet. Weiteres Potential sehe Audi noch in den Wertschöpfungsanteilen am Halbzeugpreis sowie - „last but not least“ - beim Preis des Werkstoffs an sich. Hier gebe es besonders für die integrierten Unternehmen der Branche noch Spielräume. Diese seien gefordert, ihre Kostenstrukturen über die gesamte Prozeßkette vom Bauxit bis zum einbaufertig bearbeiteten Halbzeug unter ganzheitlichen Aspekten kritisch zu hinterfragen. Deutlicher Nachteil sei aus Sicht der Automobilhersteller auch die spekulative Bindung des Preises an die Notierungen der Londoner Metallbörse (LME).

Erschienen in Ausgabe: 03/2003