Wettbewerb der Karosserie-Werkstoffe

Technik

Leichtbau ist derzeit das beherrschende Thema in der Automobilindustrie. Auf welchem Wege die Leichtbau-Ziele erreicht werden sollen, ist derzeit noch offen. Im Karosseriebereich ist das Einsparpotenzial am größten.

21. Mai 2012

Mit der Einführung des Aluminiums in die Automobilkarosserie zu Beginn der neunziger Jahre begann für den Werkstoff eine neue Zeitrechnung. Jetzt kümmerte sich erstmalig eine potente Branche um die bis dahin noch weitgehend ungeklärten Fragen der werkstoffgerechten, wirtschaftlichen Konstruktion und der Verarbeitung.

Heute stehen in Aluminium ausgereifte Alternativen zur Verfügung. Für die Klein- und teilweise bereits für die Mittelserie bietet das von Audi und Alcoa gemeinsam entwickelte Space-Frame-Konzept den Vorteil niedrigerer Werkzeugkosten bei großer Flexibilität. Hier wird eine Tragstruktur aus Aluminiumprofilen und Druckgussknoten mit Aluminiumblech beplankt. Der Vorteil: Auf teure Tiefziehwerkzeuge kann verzichtet werden.

Die selbsttragende Ganzaluminium-Karosserie hat ihre praktische Bewährungsprobe bestanden; Jaguar etwa setzt seit Jahren auf diese Bauform. Die technischen Probleme, besonders die Fügetechnik, sind befriedigend gelöst. Ob sich diese Konstruktionen unter wirtschaftlichen Kriterien durchsetzen lassen, bleibt jedoch abzuwarten.

Weitgehend durchgesetzt hat sich der Werkstoff Aluminium bei den sogenannten Anhängeteilen – Türen, Heck- und Motorklappen und andere. Hier könnte sich eine Entwicklung als hilfreich erweisen – BMW setzt diese für Türen bereits mit Erfolg ein –, bei der das dünne Aluminiumblech aus mehreren Legierungsschichten zusammensetzt ist. Man erzeugt dazu bereits in der Gießerei ein Walzbarren, für den verschiedene Aluminiumlegierungen gemeinsam abgegossen werden. Der Walzbarren besteht aus einer Grundschicht und Deckschichten, die beim Auswalzen erhalten bleiben.

»Aluminium ist bestens für die Substitution von Werkstoffen gerüstet. Die Aussichten für Aluminium sind hervorragend, und wir sind gut positioniert, um die Chancen in den Märkten zu ergreifen.« Mit dieser optimistischen Prognose äußerte Bernd Schäfer, Commercial Director von Alcoa European Mill Products, beim Deutschen Dow Jones Aluminium Forum 2011 in Frankfurt seine Überzeugung, dass sich Aluminiumbleche als Karosseriewerkstoffe weiter erfolgreich durchsetzen werden. Die Produktionszahlen der deutschen Aluminium-Walzwerke scheinen diese Aussage eindeutig zu belegen. Mit einer Monatsproduktion von etwa 160000 t hat die Branche nicht nur die Auswirkungen der Wirtschafts- und Finanzkrise hinter sich gelassen, die Produktionswerte steigen darüber hinaus Monat für Monat weiter an.

Im Augenblick liegt der durchschnittliche Anteil von Aluminium an einem konventionellen Auto bei 150 kg. Er wird nach Überzeugung der Branche kontinuierlich weiter ansteigen. Die Aluminiumindustrie bereitet sich deshalb bereits darauf vor, ihre Kapazitäten deutlich auszuweiten. Vorgesehen ist, die Leichtbaukonzepte der Oberklassen-Fahrzeuge zunächst auf die Mittelklasse auszuweiten.

Übrigens: Insider berichten, dass VW sämtliche Modelle des Golf künftig serienmäßig mit Aluminiumfelgen ausstatten will. Falls im Golf der Aluminiumeinsatz verdoppelt würde, reichten die aktuellen deutschen Kapazitäten nicht mehr aus.

Stahl setzt auf neue Technologien

Im Rahmen dieser Entwicklung musste der eindeutig dominierende Karosseriewerkstoff Stahl Marktanteile abgeben. Es steht allerdings kaum zu erwarten, dass die Stahlindustrie mit ihren Ressourcen und Möglichkeiten diesen Trend akzeptieren wird. Die bisherigen Ansätze allerdings, die sogenannten ›Tailored Blanks‹ oder auch die Entwicklung hochfester Stähle, die mit geringeren Wanddicken eingesetzt werden können, konnten den Trend zur Aluminiumkarosserie bisher nicht entscheidend umkehren.

Jetzt eröffnet die Stahlindustrie im Wettlauf um die Gewichtsminderung im Karosseriebau eine neue Runde. Thyssenkrupp beispielsweise arbeitet intensiv an einem Sandwich-Material aus Blechen und Kunststoff. Dies ist nicht nur besonders leicht, sondern auch relativ kostengünstig in der Herstellung und weist zudem eine hohe Steifigkeit auf. Das Material besteht aus zwei 0,2 bis 0,25 mm dünnen Stahldeckblechen und einem 0,4 bis 1,00 mm dicken Polymerkern. Das Leichtblech soll nur zehn Prozent schwerer sein als Aluminium, in der Herstellung aber etwa 30 Prozent weniger kosten.

Damit lassen sich, wie Thyssenkrupp errechnet, gegenüber den bisherigen Stahlblechen bis zu 80 Kilogramm pro Auto sparen. Außerdem wirkt die zwischen den Stahlblechen eingearbeitete Kunststoffschicht schalldämmend. Durch den Verzicht auf zusätzliches Dämmmaterial im Motorraum können somit noch einmal Kosten und Gewicht reduziert werden. Lack lässt sich problemlos auftragen und ein Recycling soll ebenfalls möglich sein.

Zur Vorbereitung der Produktion wird gegenwärtig eine Pilotanlage in Dortmund gebaut. 2014 soll die Serienproduktion beginnen. Verwendet werden soll das neue Material vor allem in Volumenfahrzeugen wie VW Golf oder Ford Focus, wo die Kostenfrage eine besonders große Rolle in der Herstellung spielt.

Überhaupt positionierten sich die Stahlhersteller konsequent in diesem Zukunftssegement. Sie bedienen die Automobilkonzerne mit Studien und gezielten Entwicklungen und unterstützen auf diese Weise die Leichtbauentwicklung in vielfältiger Weise. In dieser Hinsicht ist die Stahlindustrie mit ihren deutlich größeren Möglichkeiten der Aluminiumindustrie, die deutlich weniger Initiativen in dieser Richtung verfolgt, überlegen.

Wie weit ist CFK?

Wenn zwei sich streiten, freut sich der Dritte – zumindest, wenn es beim Thema Automobilkarosserie nach den Vorstellungen der Kunststoffindustrie ginge. Auch diese Branche rechnet sich langfristig mit CFK-Werkstoffen gute Chancen aus.

Über die Möglichkeiten dieses Dritten im Wettbewerb befindlichen Karosseriewerkstoffes ist in der Vergangenheit viel gesagt und geschrieben worden. Unbestritten lässt sich damit die größte Gewichtsersparnis bei gleichzeitig hoher Festigkeit erreichen. Dem Einsatz stehen nach wie vor die schwierige, für eine Serienfertigung untaugliche Verarbeitung, die umständlichere Wiederverwendung des Materials und nicht zuletzt auch die Kosten entgegen.

An den Verarbeitungstechnologien wird derzeit intensiv gearbeitet. Edelmarken wie Lamborghini und McLaren teilten unlängst mit, dass es ihnen gelungen sei, die Verarbeitung wesentlich zu beschleunigen. Normalerweise benötigt ein Sportwagen-Monocoque vom Laminieren übers Backen bis hin zum Auskühlen noch vier Tage. In nur vier Stunden will McLaren das Monocoque des angekündigten Mittelmotor-Zweisitzers MP4-12C fertigen. Das ist nicht schlecht, dürfte aber für die Serie noch immer nicht ausreichen.

Der Wettlauf um das Vormaterial lässt indes erkennen, dass die Automobilproduzenten mit dieser Technik rechnen. Nachdem sich bereits BMW über eine Beteiligung seiner Eigentümerfamilie an SGL Carbon Zugang zur Kohlenstofftechnologie verschafft hat, hat auch Volkswagen nachgezogen. Robert Koehler, Vorstandsvorsitzender der SGL Group, wertet diese Beteiligung als Interesse an neuen Werkstoffen und Technologien für den automobilen Leichtbau.

Ob sich diese Engagements tatsächlich auszahlen werden, hängt entscheidend davon ab, ob es gelingt, diese Werkstoffklasse unter Serienbedingungen zu verarbeiten und am Lebensdauerende zu recyclieren. Hier blickt die Branche auf BMW, das ab 2013 einen Kleinwagen mit Kohlefaserkarosserie herstellen will. Spätestens hier wird sich nach Einschätzung von Experten entscheiden, ob CFK als Karosseriewerkstoff eine Zukunft hat.

Einsparpotenziale noch nicht absehbar

Zukünftig Aluminium, Carbon, oder doch Stahl? Zumindest für einen vernünftigen Zeitraum von fünf bis zehn Jahren liegt die Antwort auf der Hand: Die Entwicklung geht wie in den letzten Jahren weiterhin zur Hybridbauweise, wo jedes Material dort eingesetzt wird, wo es seine Stärken ausspielen und seine Schwächen überspielen kann. Der Maßstab dafür sind die Kosten. Für die Materialauswahl ist mithin letztlich entscheidend, welcher Aufwand für eine Einheit Gewichtsersparnis angemessen erscheint. Derzeit muss für ein Kilogramm weniger auf dem Weg über Karbon mit etwa 50 Euro bezahlt werden, auf dem Weg über Aluminium kostet dies, wie Holger Schubert, Produktions- und Werkstoffspezialist bei Daimler vorrechnet, etwa 10 Euro.

Obwohl dies eindeutig zu Gunsten von Aluminium spricht, sollte man vorsichtig sein. Nach wie vor ist das Einsparpotenzial bei der CFK-Verarbeitung nicht absehbar, aber es wird sich mit Sicherheit billiger machen lassen. Hinzu kommt, dass jeder Energiepreisanstieg die teure Technologie besser aussehen lässt. Erinnern wir uns: Eine neue Leichtbautechnik setzt sich zuerst in der Luftfahrt durch, dann findet sie schrittweise auch in die bodengebundene Fahrzeuge Eingang – zunächst in die Oberklasse und von dort schrittweise in die Großserie. Es könnte zwar noch etwas dauern, aber letztlich wird auch Aluminium wieder Marktanteile abgeben müssen.

Dr.-Ing. P. Johne Fachjournalist aus Haan und langjähriger Chefredakteur der Fachzeitschriften ›Aluminium‹ und ›Aluminium-Praxis‹

Ist das rad voraus?

Fabrikneue Stahlräder sind heute selten geworden. Noch vor 20 Jahren konnte sich niemand vorstellen, dass sogar Billig-Fahrräder um einen Alurahmen herum gebaut werden. Und selbst Carbonräder werden jedes Jahr 100 bis 200 € billiger. So ein Fahrradrahmen wiegt mit 800 bis 2000 g zwar deutlich weniger als eine Autokarosserie, aber die Entwicklung ist interessant. Auf den nächsten Seiten ein Plädoyer für reinrassigen Stahlleichtbau.

Erschienen in Ausgabe: 04/2012