Sie klingen wie gedruckt

Technik

Mal klingelnd, mal gedruckt, mal gemischt – bei der Suche nach neuen Automobil-Karosserien entdeckte bbr einen neuen Porsche 911er mit integriertem Subwoofer, eine Karosserie aus dem 3D-Drucker, clevere Ideen für CFK und andere Mischbauweisen.

16. April 2012

Die wahrscheinlich ungewöhnlichste Karosserie der Welt stammt wen wundert’s – aus dem Land der unbegrenzten Möglichkeiten. Die Rede ist vom Zweisitzer ›Urbee‹ (urban electric car with ethanol backup) von der Kor Ecologic Inc. aus Winnipeg (Kanada). Der Prototyp entstand mit einem 3D-Drucker der Stratasys Inc. aus Minneapolis (USA), die ihn per Fusion Deposition Modeling (FDM) direkt aus dem Datenmodell hergestellt hat. Bei diesem Verfahren wird ein dicker drahtförmiger Ausgangswerkstoff, zum Beispiel aus Wachs oder Kunststoff, mit einer verfahrbaren Heizdüse geschmolzen. »Die FDM-Technologie hat es uns ermöglicht, Änderungen am Design des Urbee einfach und effizient während der Fertigung zu realisieren«, erklärt Jim Kor, Präsident von Kor EcoLogic. »Der Konstrukteur schickt einfach die Dateien, wartet ein bisschen und schon sind die Karosserieteile fertig.«

Herausforderung Mischbauweise

Nicht konventionell kommt auch die siebente Evolutionsstufe des 911 daher: Zum Zuge kommt Hybridbauweise mit großflächigem Aluminiumeinsatz und ultrahochfestem Stahl (Festigkeit höher als 1200 bis 1500 Megapascal). Diese Bauweise bezeichnet Christian Friedl, Leiter Karosseriebau und Lackiererei bei der Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG in Stuttgart-Zuffenhausen, daher auch als Herausforderung. Der völlig neue Materialmix erforderte unter anderem neue Automatisierungs- und Fügeverfahren.

Eingesetzt werden unter anderem Hohlstanznieten, Durchsetzfügen, MIG- und Widerstandspunktschweißen bis hin zum Kleben. Eine Frage lautete beispielsweise: Wie lässt sich das Nietwerkzeug in einer hochkomplexen Fertigungszelle an den Roboter bringen? Aber auch die Umstellung der Mitarbeiter spielte – mit Blick auf den großen Anteil an manueller Arbeit – eine sehr große Rolle. Porsche musste beispielsweise im großen Stil die Werker im Karosseriebau auf dem Gebiet Aluminiumschweißen schulen.

Pfiffigkeit war auch gefragt in Sachen edler Klang. Die Porsche-Konstrukteure wollten den Subwoofer nicht mehr im Kofferraum unterbringen, sondern ihn in die Karosserie integrieren. Die pfiffige, patentierte Lösung nutzt nun die rohbauseitigen Karosseriestrukturen des Windlaufrahmens. Details nennt Friedl: »Der Windlauf besitzt eine Unter- und eine Oberschale, die einen definierten Resonanzraum bilden. Der Subwoofer nutzt diesen Raum als Bassreflexbox.«

Flexibler Karosseriebau

Auf Hybrid-Technik setzt auch die Volkswagen AG in Wolfsburg. »Es wird ein bunter Blumenstrauß sein – von der Verbindungstechnologie bis hin zur Mischbauweise«, betont Hubert Waltl, Mitglied des Markenvorstands Volkswagen im Geschäftsbereich ›Produktion und Logistik‹. Das nächste wichtige Thema ist für den altgedienten Werkzeug-Experten, der den Werkzeugbau von Audi gerettet hat, die Flexibilität des Karosseriebaus. »Man kann es sich heute nicht mehr leisten, Karosseriebauten nur für einen einzigen Fahrzeugtyp hinzustellen«, meint Waltl. Als Gegenmaßnahme setzt VW auf sogenannte ›Konzernframer‹, die den Karosseriebau mittlerweile schon in der dritten Generation standardisieren. Die Fertigung hat in den letzten Jahren analog zu den Entwicklern einen modularen Baukasten ausgebaut. Damit fällt das Grundgestell, das sich für jeden Karosseriebau einsetzen lässt, immer gleich aus.

»Die Grundgeometrien sind immer die gleichen, wir tauschen nur die Mechanisierungsmodule aus«, erklärt das VW-Vorstandsmitglied. »Wenn wir heute einen Karosseriebau einsetzen, haben wir einen hohen Anteil an Möglichkeiten zum Wiederverwenden von Modulen.« In Niedriglohnländern kommen Werker zum Einsatz, die die Bodies-in-white per Handschweißzangen verfügen. In Hochlohnländern ergänzen Modulbausteine das Grundgestell zu einem hoch mechanisierten Framer, in dem bis zu 17 Karosserien pro Stunde entstehen. Waltl ist sich aber sicher, dass sich mit einem Framer künftig eine hoch mechanisierte Linie für 60 Karosserien pro Stunde aufbauen lässt.

»Wir bestellen die Elemente als Katalogware bei einem auf den Framer-Bau spezialisierten Lieferanten«, berichtet er. »Wir sind dabei, diesen Prozess bis hin zum Schaltschrank ständig zu optimieren.« Das Standardisieren der Karosserien wird künftig auch erleichtert durch den ›Modularen Querbaukasten«, kurz MQB, den der Konzern in diesem Jahr für die Marken Volkswagen, Audi, Škoda und Seat einführt. Dabei sind Abmessungen wie der Abstand der Pedalerie zur Radmitte immer gleich und ermöglichen eine einheitliche Vorderwagensystematik, die sich auch auf die Karosserie auswirken wird.

Ur- und Umformen in einem

Auf Standardisieren setzt auch die Tower Automotive Holding GmbH aus Zwickau-Marienthal, die mit Imperia Automotive Engineering aus Aachen das Verfahren ›Variostruct‹ entwickelt hat. Es handelt sich um Hybridtechnologie, die verschiedene Materialien sowie Umform- und Urfomtechnik in einem Bauteil kombiniert. Details nennt der Kongressband des 6. Chemnitzer Karosseriekolloquiums CBC am Fraunhofer IWU: »Ein klassisches Tiefziehblech wird mit einer dünnwandigen Leichtmetallstruktur ein- oder umgegossen. Das Tiefziehblech gibt die Struktur sowie Anlageflächen des Bauteils vor und übernimmt die Hauptlast. Die Rippen der Gussstruktur stabilisieren gezielt den Querschnitt des Bauteils und begrenzen somit kontrolliert dessen Ausbeulen unter Knicklast oder Biegung, in dem die Tragreserven jenseits der Beulspannungen aktiviert werden.« Kommentar von Dr. Gyula Meleghy, Präsident ›International Operations‹: »Variostruct bietet eine überlegene Kombination aus Leichtbaupotenzial, Strukturperformance und Integrationspotenzial.«

Variostruct soll sich besonders für Bauteile mit höchsten Anforderungen an Strukturleistung und Energieabsorption anbieten. Die optimierte Bauweise senkt das Gewicht im Idealfall um mehr als zehn Prozent (im Vergleich zu reinen Alu-Guss-Strukturen) und um bis zu 40 Prozent (im Vergleich zu klassischen Stahlblechstrukturen). Versuche ergaben 28 Prozent Gewichtseinsparung bei dem Dachquerträger eines Porsche Cayenne – ohne jegliche Beeinträchtigung der Festigkeit. Das Verfahren kommt an: Tower Automotive steht nach eigenen Angaben kurz vor dem ersten Serieneinsatz von Variostruct im Karosseriebau.

Mit der Mechanisierung von Karosseriebauvorrichtungen beschäftigt sich unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) aus Chemnitz eine Allianz von VW, Ortlinghaus Werke und Sibea. Bisher handelt es sich bei diesen Vorrichtungen für Karosseriebau um starre Konstruktionen, bestehend aus fest auf einer Tisch- oder Grundplatte montierten Bestimm- und Spannelementen. Der Einsatz der Vorrichtungen steht und fällt mit dem sogenannten Shimmen, dem Einstellen und Justieren der Vorrichtungskomponenten mit unterschiedlich dicken Distanzplättchen im Bereich von wenigen Zehntelmillimetern.

Einrichten per Linearantrieb

Ortlinghaus hat nun einen elektrohydraulischen Linearmotor entwickelt, mit dem sich Bestimm- und Spannelemente in weniger als einer Sekunde automatisch justieren lassen. So ließe sich laut Prof. Dr.-Ing. Reimund Neugebauer, dem Leiter des Fraunhofer IWU, mit diesem System beispielsweise eine komplexe Vorrichtung verwirklichen, in der ein einziger Linearantrieb fünf Vorrichtungen mit jeweils zehn Spannelementen justiert.

Mit dem Thema Leichtbau für den Flugzeug- und Automobilbau beschäftigt sich seit vielen Jahren die Claas Fertigungstechnik GmbH aus Beelen. Sie fertigt Werkzeuge für die Automobil- und Luftfahrtindustrie, mit denen beispielsweise Bauteile aus Carbonfaserkunststoffen (CFK) entstehen. Das Entwicklungsteam hat viele Forschungsprojekte in der Luftfahrtindustrie abgeschlossen und einen hohen Standard für RTM-Werkzeuge entwickelt. Bei Resin Transfer Moulding (RTM) wird die Formmasse mit Kolben von einer beheizten Vorkammer über Verteilerkanäle in ein geschlossenes Werkzeug eingespritzt, in dem es unter Wärme und Druck aushärtet. RTM kommt vor allem für kleinere Bauteile in Frage. »Wir nutzen die Erfahrungen aus der Luftfahrt und haben diese an die Anforderungen der Automobilindustrie angepasst«, so heißt es auf der Homepage des Unternehmens. »So entstanden interessante neue Verfahren zur Herstellung von kohlefaserverstärkten Thermoplastbauteilen mit kürzesten Taktzeiten.«

Als Basis nutzt Claas Transferwerkzeuge, weil sie eine hohe Integration von verschiedenen Verfahren in der Prozesskette bieten. Das Unternehmen hat alle notwendigen Stufen zum Herstellen von faserverstärkten Thermoplastbauteilen (wie CFK) in einem Transferwerkzeug integriert. Die Experten nahmen – so Geschäftsführer Dr. Thomas Lorf – die Ergebnisse unter anderem mit Blick auf Auf- und Abheizraten, Umformgeschwindigkeit, Beschichtung der Werkzeugoberflächen bis hin zum Einbringen von Verbindungselementen unter die Lupe. Dr. Lorf: »Die Ergebnisse der Voruntersuchungen zeigen, dass es mit unserem Herstellverfahren möglich ist, kohlefaserverstärkte Thermoplastbauteile prozesssicher und mit bekannter Technik herzustellen.«

Nikolaus Fecht

Fachjournalist aus Gelsenkirchen

Erschienen in Ausgabe: 01/2012