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KAROSSERIE + INTERIEUR

Automobile Diätkur

Karosserieleichtbau: Verbindungstechnologie und unterschiedliche Materialpaarungen

Hier dargestellt ist der Design-

Modellbau, in dessen Leistungsspektrum

Cubing und

Maßmodelle in CFK-Leichtbau

erstellt werden

Der Wunsch, ein leichtes Fahrzeug

zu entwickeln, ist so alt wie das

Automobil selbst. Unterschiedlichste

Materialpaarungen ermöglichen

heute vielfältige Karosseriestrukturen,

die ein Fahrzeug

trotz steigenden Anforderungen

an Fahrzeugsicherheit und Insassenkomfort

leichter machen.

Voraussetzung hierfür ist eine

Vielzahl an neuen Verbindungstechniken,

die von der Automobilindustrie

fortwährend weiterentwickelt

werden.

Autor: Michael Hage, Fachbereichsleiter Entwicklung

Karosserie und Interieur, Bertrandt AG, Ehningen

Gehen wir an den Anfang der Automobilproduktion

zurück: Bereits beim ersten in Großserienproduktion

hergestellten Fahrzeug, dem

Ford T-Modell, begegnet uns eine zum damaligen

Zeitpunkt moderne Bauweise aus vernieteten

U-Profilen sowie ein Holzgerüst mit Stahl-

Karosserie. Die Verfügbarkeit der Materialien

sowie damaligen Fertigungsverfahren war sicher

ein entscheidender Faktor für diese Mischbauweise

zu Beginn des 20. Jahrhunderts.

Heute, rund 100 Jahre später, ist die Karosserie-Entwicklung

erneut von einer Mischbauweise

geprägt. Wieder sind Verfügbarkeit bzw. Einsatzfähigkeit

der Materialien sowie deren Fertigungsverfahren

in der Großserienproduktion

bestimmende Größen. Die Materialneuentwicklungen

für den Karosseriebau, gepaart mit den

ständig weiterentwickelten bekannten Werkstoffen,

erfordern einen besonderen Fokus in

der Produktion.

Dominante Hybridbauweise

In modernen Karosserien der Mischweise werden

Stahl, Aluminium, thermoplastische Kunststoffe,

Magnesium sowie Faserverbundwerkstoffe

in unterschiedlicher Ausprägung einge-

setzt, je nach Fahrzeugklasse und Produktionsvolumen.

Diese Hybridbauweise ist aus dem

modernen Karosseriebau nicht mehr wegzudenken,

wobei die Materialien immer

„gleichberechtigter“ angewendet werden.

Stets nach dem Motto, das leistungsfähigste

Material an der erforderlichen Stelle einzusetzen.

Die Hybridisierung ist daher aus heutiger

Sicht die zukunftsweisende Technologie, den

Karosserie-Leichtbau und seine wirtschaftliche

Großserienfertigung miteinander zu vereinen.

Die richtige Werkstoffauswahl für jedes einzelne

Karosseriebauteil wird bestimmt von fahrzeugspezifischen

Anforderungen wie Styling,

Sicherheit, Kundennutzen und Funktionsintegration.

Zudem durch fertigungsspezifische

Anforderungen wie Herstellbarkeit und Kostenbilanz.

Weiterentwicklung von Stählen

Die reine Stahl-Karosserie mit klassischer Widerstandspunktschweißung,

Schweißverbindung

und gegebenenfalls MIG-Schweißungen

hat sich lange Zeit als beste Lösung für alle

Fahrzeug-Anforderungen durchgesetzt. Die angewandten

Stähle wurden laufend weiterent-

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wickelt, um den gesteigerten Anforderungen

der Crashgesetzgebung sowie den Komfortansprüchen

der OEM zu genügen. Ein Beispiel

ist die Verwendung warmgeformter Stähle der

Festigkeiten 1500 MPa, die heute fast durchgängig

über alle Hersteller in der Karosseriestruktur

zum Einsatz kommen.

Verbindungstechnik in der Aluminium-Bauweise

Dieses Konzept der Stahlkarosserie mit Werkzeugstählen

unterschiedlicher Güte wurde evolutioniert,

als das erste Fahrzeug in einer Aluminium-Space-Frame-Struktur

in Serie ging,

der Audi A8. Extreme Gewichtspotenziale sowie

eine Performance-Steigerung bezüglich

Steifigkeit und Festigkeit der Karosserie bei

gleichzeitig geringerem Materialeinsatz sind

die Highlights dieses Konzepts, das in den

nächsten Evolutionsstufen der folgenden Space-Frame-Generationen

bei Audi weiterentwickelt

wurde.

Die Space-Frame-Bauweise ist geprägt von

Guss-, Strang- sowie Aluminium-Blechbauteilen,

die in unterschiedlicher Ausprägung, je

nach Fahrzeugklasse und Investitionsvolumen

der Fertigungsanlagen, eingesetzt werden. Die

Verbindungstechnologien sind anfangs Stanznieten,

MAG- und Laser-Schweißen sowie später

Kleben, Clinchen und Schrauben. Hier

zeichnet sich bereits ab, dass die Verwendung

unterschiedlicher Halbzeuge, selbst bei reiner

Aluminium-Bauweise, eine neue veränderte

Verbindungstechnologie erfordert.

Etwas zeitversetzt zum ersten Aluminium-Space-Frame

wurde der Jaguar XJ ebenfalls in Aluminium

entwickelt – ohne werkzeugspezifische

Halbzeuge in klassischer Schalenbauweise

mittels Tiefzieh-Herstellung. Diese Halbschalen-Konstruktion

ermöglicht die Ausprägung

des klassischen Verbindungsflansches,

über den fast alle Bauteile dann mit kaltem

Verbindungsverfahren, dem Stanznieten, gefügt

werden können.

Die Leicht- und Mischbauweise

ist zum festen

Bestandteil des Karosseriebaus

geworden

Automatisierte Zuschnitte und Gelege-Fertigung

bieten Kostenvorteilee

Die aktuelle Vorankündigung der BMW Baureihe

i3 und i8 stellt die nächste Evolutionsstufe

in der Karosserieentwicklung und -fertigung

dar. Faserverstärkter Kohlenstoff, CFK, ist das

Material der Fahrgastzelle, das in einer Art

Schalenbauweise die Unterbaugruppen der

Fahrgastzelle erstellt, die dann durch Kleben

zur Fahrgastzelle gefügt werden (Quelle: KU-

Messe, Mannheim, Exponat Fahrgastzelle,

März 2012).

Die Anwendung von faserverstärktem Kohlenstoff

war bis vor einigen Jahren dem Rennsport,

Kleinstserien sowie dem Flugzeugbau

vorbehalten, da die Taktzeiten der Bauteilfertigung

einem Serieneinsatz mit höherer Taktzeit

entgegenstanden. Neben der CFK-typischen

Autoklave-Anwendung konnten in den

letzten Jahren verschiedene Verfahren weiterentwickelt

werden. Der Treiber dieser Weiterentwicklung

ist das Streben nach einer Automatisierung

in der CFK-Fertigung, um Herstellungskosten

zu reduzieren.

Nach einer Studie der SGL Group liegen 50 %

der Kosten im Zuschnitt und im CFK-Gelege

(Quelle: Vortrag SGL Group, KU-Messe Mannheim

2013). Gelingt es nun, an dieser Stelle im

Prozess anzugreifen, beispielweise durch automatisierte

Zuschnitte oder automatisierte Gelege-Fertigung,

können entsprechende Kostenpotenziale

in der Herstellung eine Serienfertigung

attraktiver gestalten. Auch spezielle Webe-

und Wickeltechniken, hier u. a. die Pultrusion,

führen zu einer werkstoffgerechten Ausnutzung

der Potenziale.

Das zunehmende Bestreben, die Automatisierung

voranzutreiben, den verstärkten Einsatz

von Halbzeugen zu forcieren sowie die Herstellprozesse

weiterzuentwickeln wird es ermöglichen,

faserverstärkte Kohlenstoffe in der

(Groß-)Serienfertigung von Fahrzeugkarosserien

weiter zu etablieren.

Moderne Hybridstruktur in mechanischen

Fügeverfahren oder Kleben

Gemäß dem Ansatz, das leistungsfähigste Material

an der erforderlichen Stelle einzusetzen,

werden nun die Materialen der drei beschriebenen

Karosseriestruktur-Konzepte in der Hybridstruktur

eingesetzt, so dass alle erdenklichen

Material-Paarungen in einer modernen

Karosseriestruktur in Hybridbauweise aufeinandertreffen.

Hier liegt die größte Herausforderung

in der Verbindungstechnik.

Während in den Ganzstahl-Bereichen der Hybridstruktur

das Widerstandspunkt-Schweißen

als bewährte Fügetechnologie zum Einsatz

kommt, scheidet diese Verbindungstechnologie

bei anderen Material-Paarungen weitestgehend

aus. Stattdessen werden überwiegend

mechanische Fügeverfahren, Kleben oder eine

Kombination beider Methoden zum Einsatz

kommen.

Zu den mechanischen Fügeverfahren zählen

beispielsweise das Stanznieten, das Nageln

sowie die FDS-Schraube. Hier muss je nach

Materialpaarung die Korrosion vermieden werden,

indem Bauteile und Verbindungselemente

zusätzlich beschichtet werden.

Zur Unterstützung, insbesondere der Stanzniettechnologien,

aber auch als solitäres Verfahren,

wird Kleben bei der Hybridisierung unverzichtbar

sein. Kleben als Fügetechnik eignet

sich, wenn man verschiedene Werkstoffe verbinden

und weitere nützliche Eigenschaften integrieren

möchte. Hierzu gehört die Korrosions-Prävention,

die schallabsorbierende Wirkung

der Klebschicht und die hohe Werkstoffausnutzung

durch die flächenförmige Kraftübertragung.

Ein grundsätzlicher Nachteil sind

die hohen Aushärtungszeiten des Klebstoffs.

Bei herkömmlichen Karosseriestrukturen kommen

generell zusätzliche Fixierungen an der

Klebestelle zum Einsatz, damit die Bauteile gegeneinander

nicht verrutschen können, bevor

sie endgültig ausgehärtet sind.

Bertrandt, Tel.: 07034 656-4037,

E-Mail: anja.schauser@de.bertrandt.com

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