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Montag, 22. Januar 2018

Leichtbau

Wirtschaftlich Gewicht sparen

Von Rolf Müller-Wondorf | 12. Oktober 2017 | Ausgabe 41

Automobiler Leichtbau kann preiswert sein, erhöht die Wettbewerbsfähigkeit und steigert den Endkundennutzen. So die Kernaussagen einer Studie, die zur Messe Composites Europe veröffentlicht wurde.

Leichtbau (2)
Foto: Tata Steel

Leichtgewichte: Fahrzeugentwickler, wie hier bei Tata Steel, sind permanent auf der Suche nach Wegen, um die Fahrzeugmasse zu reduzieren.

Preiswerter Leichtbau ist nach Aussage von Rainer Kurek möglich – wenn die ganzheitliche Lösung betrachtet wird. „Werden lediglich Werkstoffe durch beispielsweise CFK oder Titan substituiert, dann führt dies in den meisten Fällen zu erheblich kostenintensiveren Lösungen“, beschreibt der Geschäftsführer der Automotive Management Consulting GmbH ein zentrales Ergebnis der Studie „Leichtbau als Innovationstreiber“, die er gemeinsam mit dem Messeveranstalter Reed Exhibitions erstellt und während der Fachmesse Composites Europe im September in Stuttgart vorgestellt hat.

Effektiver sei es, wenn z. B. bei der Verwendung von Aluminium, Magnesium, Hybridlösungen oder Multimaterialanwendungen neue Bewertungssysteme herangezogen würden. Dabei seien Betrachtungen zielführend, die den gesamten Produktlebenszyklus und somit die Kosten ganzheitlich erfassten. Kurek: „Denn Leichtbau ist eine Symbiose unterschiedlicher Kompetenzen und Methoden. Im Gegensatz zur reinen Werkstoffsubstitution sollte das Spannungsfeld aus Werkstoff-, Fertigungs- und Funktions- oder Konzeptleichtbau berücksichtigt und umgesetzt werden.“ In diesem „magischen Viereck“ sei der Konstrukteur zentral verankert und müsse diese Aspekte intelligent zu einem holistischen Ansatz verknüpfen. Wesentlich für die erfolgreiche Realisierung konsequenter Leichtbaulösungen seien daher systemisches Denken und Handeln über alle Fahrzeugmodule hinweg.

Eine von Tata Steel durchgeführte Studie hat einen solchen Ansatz verfolgt und vier Werkstofflösungen im Automobilbau miteinander verglichen. Bewertet werden nicht nur die CO2-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus hinweg, sondern auch ihr Leichtbaupotenzial und ihre Erschwinglichkeit. Als Testobjekt wurde eine Tür-Baugruppe von einem Mittelklasse-Fahrzeug gewählt. Das Referenzmodell basiert auf Stahl. Die Außenhaut besteht aus einem Bake-Hardening-Stahl (BH220), der Innenteil aus Tiefziehstahl (DX56). Der Türträger ist aus warmgeformtem Stahl (22MnB5) und der Längsträger wurde aus einem kaltgewalzten höchstfesten Stahl (DP1000) gefertigt. Für die Verstärkungen kommt hochfester, niedriglegierter (HSLA-)Stahl zum Einsatz.

Damit vergleichen werden drei anderen Konzepte: Option eins ist ein fortschrittliches Stahlkonzept, das einen Bake-Hardening-Stahl für die Außenhaut verwendet, jedoch mit einer erhöhten Festigkeit (BH260). Der Rahmen besteht aus warmgefertigtem Stahl und die neu gestalteten Innenteile aus maßgeschweißten Formteilen. Damit kommen in diesem Konzept weniger und gleichzeitig festere Teile zum Einsatz.

Option zwei ist ein Multi-Werkstoff-Konzept, das als Grundlage die gleichen Stähle wie das Referenzmodell verwendet. Ein Teil der Baugruppe wurde allerdings durch Kunststoff ersetzt. So wurden die Türinnenteile und Verstärkungen aus Stahl mit einer Außenhaut aus SMC (Sheet Moulding Compounds) kombiniert.

Option drei besteht aus Aluminiumblechen und Extrusionsprofilen. In dieser Variante wurden nicht nur die Stahlbleche durch Aluminium ersetzt, sondern das gesamte Design optimiert. Dadurch sollen die spezifischen Anforderungen an die Türkonstruktion unterschiedlicher Lastfälle wie Türverschiebung und Türauslenkung sowie die dynamische und statische Beulsteifigkeit erfüllt werden.

Während Gewicht und CO2-Einsparungen bei den Konzept variieren und jedes von ihnen unterschiedliche Vorteile bietet, sind die Kosten für die Hersteller eine wesentliche Größe. Das Multi-Werkstoff-Konzept bietet beispielsweise die geringste Gewichtseinsparung (12 %) und bringt gleichzeitig eine relativ hohe Kostensteigerung mit sich – rund 3 € pro eingespartem Kilogramm. Die Gewichtseinsparung ist daher laut der Tata-Analyse nur marginal und durch die höheren Kosten unattraktiv.

Gute Gewichtseinsparungen erzielten laut der Tata-Studie das fortschrittliche Stahlkonzept (17 %) und das Aluminiumkonzept (31 %), wobei Letzteres hinsichtlich des deutlich reduzierten Gewichts am besten abschneidet. Betrachtet man jedoch die Umweltbelastung eines Autos über den gesamten Fahrzeuglebenszyklus hinweg, bietet das neue Stahlkonzept mehr Vorteile. Insgesamt gesehen, ist das fortschrittliche Stahlkonzept damit im Hinblick auf die Kosten für den Fahrzeughersteller die bevorzugte Lösung. Es erzielt die beste Balance aus eingespartem Gewicht und entstehenden Kosten. Während beim Stahlkonzept für jedes Kilogramm durchschnittlich 1,5 € zu veranschlagen sind, verursacht Aluminium mit 6 € deutlich höhere Kosten.

Mit seinem Projekt InCar hat ThyssenKrupp bereits einen modularen Baukasten für solche Leichtbaulösungen für unterschiedliche Bauteile und Baugruppen auf der Basis verschiedener Stahlsorten entwickelt. Dabei werden neben der reinen Gewichtsreduzierung auch die Wirtschaftlichkeit, Funktionalität, Emissionsreduzierung und Sicherheit gleichermaßen berücksichtigt. Alle der über 30 Einzellösungen werden an einer herstellerneutralen, qualitativ hochwertigen Referenz hinsichtlich ihrer Gewichts-, Kosten- und Funktionsvorteile gemessen.

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