Vortrag "Leichtbauentwicklung im Automobilbau" von Dr. - i2b
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Leichtbau <strong>im</strong> Automobilbau<br />
I2b 03-12-2013<br />
<strong>Dr</strong>. Eberhard Karbe, Koordination Leichtbau
Leichtbau seit über 60 Jahren<br />
„Leichtbauweise bezeichnet die Summe <strong>von</strong> Maßnahmen zur Gewichtsminderung<br />
<strong>im</strong> Fahrzeugbau bei Wahrung <strong>von</strong> Verkehrssicherheit und<br />
Betriebszuverlässigkeit.“<br />
Quelle: http://www.enzyklo.de/Begriff/Leichtbauweise<br />
2 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Fahrzeuggewichte steigen aufgrund umfangreicher<br />
Zusatzfunktionen – Zukunft: Umkehr der Gewichtsspirale<br />
E-Klasse: Gewichtszunahme seit 1948 um 180%<br />
Mehr Funktionen<br />
+ Sicherheit<br />
+ Komfort<br />
+ Gesetzgebung<br />
+ Antriebskonzepte<br />
Zukünftig: Umkehr der Gewichtsspirale für Folgebaureihen<br />
+ Verbrauch/CO 2<br />
+ Agilität<br />
+ Reichweite<br />
100kg ~ 8-10 g CO 2 /km<br />
3 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Karosserie Entwicklung<br />
Intelligente Karosserien helfen CO 2 zu reduzieren<br />
Hybrid Leichtbau<br />
Das richtige Material am richtigen Platz<br />
Aerodynamik<br />
Marktführer Aerodynamik<br />
Sicherheit<br />
Sicherheit ist die vorrangige Priorität<br />
4 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Werkstoffe - Größter Leichtbaustellhebel<br />
Werkstofftechnologie<br />
70 %<br />
• Weiterentwicklung<br />
• Neue Werkstoffe<br />
70 %<br />
Stellhebel<br />
Leichtbau<br />
20 %<br />
Bauteilentwicklung<br />
10 %<br />
• Konzeptleichtbau<br />
• CAE Opt<strong>im</strong>ierung<br />
Produktionstechnik<br />
• Neue Verfahren<br />
• Verfahrenskombinationen<br />
5 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Entwicklung des Mult<strong>im</strong>aterialmix <strong>im</strong> PKW<br />
Früher Heute Zukünftig<br />
Weiche Stähle<br />
Hochfeste Stähle<br />
Moderne hochfeste Stähle<br />
Ultrahochfeste Stähle<br />
Pressgehärtete Stähle<br />
FVK/CFK<br />
Aluminium<br />
6 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Die Grundidee der Mult<strong>im</strong>aterialmixkarosserie…<br />
…das richtige Material am richtigen Ort<br />
Außenhaut<br />
Aluminiumeinsatz und FVK<br />
Sicherheitszelle<br />
Heute: Stahl<br />
Morgen: Stahl/FVK Hybrid<br />
2020+: CFK Strukturen<br />
Vorderer/Hinterer<br />
Deformationsbereich<br />
Heute: Stahl/Aluminium<br />
Morgen: Aluminium<br />
2020+: CFK/Aluminium<br />
Strukturen<br />
7 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Die unterschiedlichen Eigenschaften der Leichtbauwerkstoffe<br />
verlangen einen sehr zielgerichteten Einsatz<br />
Stahl Aluminium FVK<br />
Materialeigenschaften<br />
Dichte 7,8 g/cm³<br />
Kosten ca. 1 €/kg<br />
Dichte 2,7 g/cm³<br />
Kosten ca. 3 €/kg<br />
Dichte 1,5 g/cm³<br />
Kosten ca. 25 €/kg<br />
• Energieaufnahme durch<br />
lokales Beulversagen<br />
• Gleichzeitig Strukturintegrität<br />
vorhanden<br />
• Energieaufnahme durch<br />
lokales Beulversagen<br />
• Gleichzeitig Strukturintegrität<br />
vorhanden<br />
• Energieaufnahme durch<br />
progressives crushing<br />
• Entweder Energieaufnahme<br />
oder Strukturintegrität<br />
Spezifische<br />
Energieaufnahme<br />
33 KJ/kg 50 KJ/kg<br />
strukturinteger < 5 KJ/kg<br />
crushing bis 250 KJ/kg<br />
Schlagzähigkeit 50 J/cm² 20 J/cm² 4 J/cm²<br />
Festigkeit 350-1650 MPa 200-500 MPa 500*-1700** MPa<br />
8 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC<br />
* MD Gelege, ** UD Gelege
Leichtbaukosten €/-kg<br />
Trotz aller intelligenter Lösungen ist Werkstoffleichtbau<br />
mit deutlichen Kosten verbunden<br />
40<br />
> 20€/-kg<br />
35<br />
30<br />
CFK<br />
Zelle<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
Aluminium<br />
Anbauteile<br />
und Dach<br />
4-12 €/-kg<br />
Aluminium<br />
Türen<br />
Stahl LB<br />
Struktur<br />
5-15 €/-kg<br />
Aluminium<br />
Dämpferbeinkonsole<br />
Aluminium<br />
Vorbau +<br />
Heckwagen<br />
1-5 €/-kg<br />
Stahl LB<br />
Struktur<br />
15-20 €/-kg<br />
Aluminium<br />
Zelle<br />
Anbauteile Deformationsbereich vo/hi Sicherheitszelle<br />
9 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Entwicklung <strong>von</strong> Werkstoffen und Fügeverfahren<br />
am Beispiel SL-Klasse<br />
10 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Bei sportlichen Fahrzeugen wird der Leichtbau auch in der<br />
Struktur mit Aluminium umgesetzt<br />
SL-Klasse<br />
SL-Klasse SL-Class<br />
17%<br />
8%<br />
44%<br />
28%<br />
•Weltpremiere <strong>im</strong> Januar 2012<br />
•Auslieferung <strong>im</strong> März 2012<br />
•Anbauteile aus Aluminium und FVK<br />
•Gewichtsvorteil <strong>von</strong> ca. 110 Kg<br />
gegenüber konv. Stahlbauweise<br />
Aluminiumguss<br />
Aluminiumblech<br />
Andere<br />
Stahl<br />
Aluminiumprofile<br />
3%<br />
11 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Leichtbau – Guß-Blech-Profilbauweise<br />
Materialmix innerhalb einer Werkstoffgruppe<br />
• Al Guß … zur Teileintegration<br />
• Al Profile … bei geraden Strukturen<br />
• Al Bleche … bei flächigen 3D Strukturen<br />
• Stahl … für höchste Crashanforderungen<br />
Gewichtseinsparung:<br />
ca. 110 kg vs. Vorgänger (Stahl)<br />
Bild: Karosserie Mercedes SL (Modell 2012)<br />
12 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Das Aluminium Rohbaukonzept des neuen SL ist trotz<br />
höherem Energiebedarf bei der Herstellung nachhaltig!<br />
Betrachtung Aluminium Rohbaukonzept SL:<br />
-15% CO 2 Emissionen mit Alu Rohbaukonzept<br />
•Höherer Energiebedarf bei der Herstellung<br />
•Gewichtsreduktion ist dominierend<br />
•Sekundäraluminium wichtigster Stellhebel<br />
Quelle: Da<strong>im</strong>ler Broschüre LifeCycle, Umweltzertifikat SL, 01-2012<br />
13 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Leichtbau mit CFK<br />
Eigenschaften<br />
St<br />
Al<br />
CFK*<br />
(anisotrop)<br />
Dichte [g/cm³] 7,8 2,7 1,5<br />
E-Modul [GPa] 210 70 bis 600<br />
Festigkeit [MPa] bis 1500 bis 600 bis 2000<br />
Status Da<strong>im</strong>ler AG:<br />
• Carbon Karosserie McLaren SLR 2003<br />
• Joint Venture Da<strong>im</strong>ler/Torray 2010<br />
• Erste Grosserienanwendung ab 2012<br />
• Technologieentwicklung Focus Kosten<br />
E. absorbtion [kJ/kg] ca. 30 ca. 50 bis ca. 250<br />
* Kennwerte werden durch Faser, Harz und Faserorientierung definiert<br />
Stahl Aluminium CFK<br />
• Metallstrukturen absorbieren Energie durch Deformation<br />
• CFK verliert bei max<strong>im</strong>aler Energieaufnahme Strukturintegrität<br />
• Leichtbaupotential CFK vs. Aluminium beträgt ca. 20%<br />
14 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
Zukünftige Fahrzeuggeneration<br />
Der Leichtbau Rohbau des F125! setzt neue Maßstäbe<br />
Markteinführung in kleinen Stückzahl noch vor 2020, Produktion hoher Stückzahlen in<br />
2020+<br />
Highlights<br />
•CFK Bauweise<br />
•Metall/FVK Hybride<br />
•FVK Sandwich<br />
•Karosserieintegrierte<br />
Energiespeicher<br />
CFK-Bauweise<br />
Metall/FVK-Bauweise<br />
FVK-Sandwich<br />
FVK/CFK-Bauweise<br />
Gewicht 250 Kg<br />
15 I2b – Leichtbau | 03.12.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
16 USA-BR205-Reise | 25.11.2013 | <strong>Dr</strong>. Karbe| PSQ/IC
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