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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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