Mischbauweise sorgt für frischen Wind - KI

04/2005
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Komponenten + Systeme Verbindungstechnik ▲
Hintergrundbericht
Mischbauweise sorgt für
frischen Wind
Multi-Material-Design krempelt bei VW die Fügetechnik um
Der Wettstreit der Werkstoffe ist schon lange passé. Die Automobilisten entscheiden
sich immer öfter nicht für einen Werkstoff, sondern für eine intelligente
Kombination der richtigen Materialien. Doch das erfordert ein Umdenken bei
den Fügetechniken, wie ke am Beispiel des „Multi-Material Designs“ von
Volkswagen aufzeigt. von Nikolaus Fecht
▲
Ein-Liter-Auto
aus Wolfsburg:
Beim Abspecken setzte VW
auf eine konsequente Mischbauweise
mit Spaceframe-Struktur
aus Magnesium, Strukturteilen
aus CFK sowie auf Bauelemente
aus Aluminium. Bild: VW
Zwei Herzen schlagen in der Brust von
Dr.-Ing. Gerson Meschut. Vor kurzem arbeitete
er noch in der VW-Konzernforschung und
seit kurzem leitet er bei der Böllhoff-Gruppe
die Abteilung Forschung, Entwicklung und
Anwendungstechnik. Aus dem Blickwinkel
des ehemaligen VW-Konzernforschers steht
für den Fachmann fest, dass „der Mainstream
zukünftiger Bauweisen auf die Entwicklung
stückzahlabhängiger Mischbauweisen zielt.“
Das Zauberwort heißt Multi-Material Design.
Darunter fassen die Experten neue Karosseriekonzepte
zusammen, die sich gegenüber
den modernen Stahl- beziehungsweise
Aluminium-Monobauweisen durch einen Materialmix
auszeichnen. Der Leitgedanke
heißt: Der richtige Werkstoff am richtigen
Ort.
Wie ein derartiger Mix aussehen kann,
führte VW an dem weltweit ersten Ein-Liter-
Auto vor. Beim Abspecken setzten die Wolfsburger
auf eine konsequente Mischbauweise
mit Spaceframe-Struktur aus Magnesium,
Strukturteilen aus CFK sowie Bauelemente
aus Aluminium.
Sicherlich sehen in Kürze vor allem wegen
der hohen Werkstoffkosten nur wenige Karosserien
so aus, doch das Konzept weist auf die
Trends im Karosseriebau
Die Automobilindustrie arbeitet intensiv an
Misch- und Modulbaukonzepten für den Karosseriebau.
Dabei zeichnen sich derzeit laut
Dr.-Ing. Gerson Meschut, F+E-Leiter bei Böllhoff,
zwei wesentliche Arbeitsfelder ab: „Einerseits
werden die hochfesten Stähle, Aluminium-,
Magnesium- und FKV-Technologien
unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten
weiterentwickelt, um die Gewichtsvorteile dieser
Werkstoffe zu vertretbaren Kosten im Karosseriebau
nutzen zu können. Andererseits
wird mit Hochdruck an der Fügetechnik und
dem Korrosionsschutz für Mischbauweisen
gearbeitet. Die Ergebnisse dieser Arbeiten beeinflussen
den zukünftigen Karosseriebau entscheidend,
eventuell revolutionieren sie ihn
sogar.“
Marschrichtung hin. Die Akzeptanz derartiger
Mischbauweisen steht und fällt nicht nur
mit dem Preis, sondern auch mit der Verfügbarkeit
kostengünstiger und prozesssicherer
Fügetechniken. Die Anforderungen an die
Verbindungsverfahren reichen vom Arbeitschutz
bis hin zur Wirtschaftlichkeit (siehe Kasten
auf der nächsten Seite).
Bei der Auswahl des geeigneten Verfahrens
spielt außerdem die Gewährleistung der geforderten
mechanischen Eigenschaften der
Verbindungen über die gesamte Fahrzeuglebensdauer
eine wichtige Rolle. Mit Blick auf
die Anforderungen an eine Automobilkarosserie
beziehungsweise deren Verbindungen
stehen laut Dr. Meschut folgende mechanische
Eigenschaften im Vordergrund:
- hohe Steifigkeit, um Funktionsfähigkeit und
Fahrkomfort zu gewährleisten
- hohe Schwingfestigkeit, um die Betriebsbeanspruchungen
sicher zu ertragen
- hohe Brucharbeit, um im Crashfall ein
Höchstmaß an passivem Insassenschutz sicherzustellen.

Der Stellenwert der Fügetechniken ist
hoch. Dazu der ehemalige VW-Konzernforscher:
„Die Optimierung einer Konstruktion
ist unter anderem über die Optimierung der
Eigenschaften der Verbindungen zu erreichen,
da die Fügestellen häufig die Schwachstellen
des Gesamtverbundes darstellen.
Weiterhin hat die intelligente Wahl der
Schnittstellen zwischen den Karosseriebereichen
einen wesentlichen Einfluss darauf, in
welchem Maße die durch beanspruchungsgerechte
Werkstoffwahl erreichte Gewichtseinsparung
durch notwendiges Zusatzgewicht
an den Fügestellen wieder aufgezehrt wird.“
Die Fügetechnik nimmt dabei eine Hauptrolle
bei der Herstellung von Leichtbaustrukturen
ein. Hier kommt es teilweise zur Ablösung
von bewährten Verfahren: Wegen
schlecht schweißbarer Werkstoffe oder Beschichtungen
und aufgrund des zunehmenden
Materialmixes treten im Karosseriebau
immer öfter wärmearme Verfahren (Kleben
oder mechanisches Fügen) an die Stelle thermischer
Techniken. Dabei geht es entweder
um einen kompletten Ersatz oder zumindest
um eine Ergänzung der bekannten Verfahren
wie Schweißen und Löten. Im Gegenzug laufen
momentan zahlreiche Forschungsprojekte
zum thermischen Fügen für den metallischen
Mischbau aus Aluminium und Stahl.
Anders sieht es bei so genannten artverschiedenen
Werkstoffen aus, also zum Beispiel
die Integration von faserverstärkten
Kunststoffverbünden (FKV) in strukturelle
Bereiche der Karosserie. Hierfür eignen sich
laut Dr. Meschut insbesondere die mechani-
schen und klebetechnischen Verfahren. Meist
handelt es sich bei diesen Anwendungen um
eine Kombination mit anderen Verfahren
(Hybridfügen).
Die Grundlagen dazu erarbeitete ein Team
in einem BMBF-Projekt (Fügesystemoptimierung
zur Herstellung von Mischbauweisen
aus Kombinationen der Werkstoffe Stahl, Aluminium,
Magnesium und Kunststoffe – Kennzeichen
03N3077D1). An dem Forschungsvorhaben
beteiligten sich DaimlerChrysler,
Porsche, VW und das Laboratorium für Werkstoff-
und Fügetechnik (LWF) der Universität
Paderborn.
In dem Projekt entstand ein Lösungskatalog
zum Fügen von Werkstoffkombinationen
für zukünftige Karosseriestrukturen in Mischbauweise.
Die Fachleute optimierten Fügeverfahren,
indem sie bestehende Verfahrensgrenzen
mit Blick auf Prozesssicherheit, Festigkeits-
und Alterungsverhalten der Verbin-
Im Karosseriebau treten immer öfter wärmearme
Verfahren an die Stelle thermischer Techniken
Verbindungstechnik
Mono passé: An die
Stelle der
Monobauweisen
tritt im Karosseriebau
das „Multi-Material
Design“, das
die Fügetechnik
umkrempelt.
dungen sowie spezieller Mischbau-Probleme
(Stichwort: deltaalpha-Problematik) ausweiteten.
Für ausgewählte Werkstoffkombinationen
entwickelte das Team sogar neuartige Fügeverfahren
wie Direktverschrauben ohne Vorlochen
oder Bördelstanznieten. Um aussagekräftige
Kennwerte zu erhalten, nahmen die
Fachleute bei ausgewählten Verbindungen
unter die Lupe, wie sich typische Belastungen
auf die Tragfähigkeit auswirken. Für Fertigung,
Konstruktion und Qualitätssicherung
erarbeitete das Team außerdem Hinweise
zum Fügen technisch sinnvoller Werkstoffkombinationen.
Komponenten + Systeme
„Es wird mit Hochdruck an
der Fügetechnik und dem
Korrosionsschutz für Mischbauweisen
gearbeitet.“
Dr.-Ing. Gerson Meschut, Leiter Forschung,
Entwicklung und Anwendungstechnik bei Böllhoff
Anspruchsvolles Pflichtenheft
Folgende sieben Anforderungen werden heute
an Fügeverfahren gestellt:
■ Funktion, erzeugte Eigenschaften: Mechanik,
Optik, Haptik, Lebensdauer, Korrosion und
Alterung
■ Wirtschaftlichkeit: Investitions- und Betriebskosten,
Produktivität,Automatisierbarkeit,
Personalbedarf, Nacharbeit
■ Prozesssicherheit: Qualität, Reproduzierbarkeit,
Prozessüberwachung, zerstörungsfreie
Prüfung
■ Fertigungskompatibilität:Aufbau- und Zusammenbau-Folge,
Bereitstellung von
Arbeits- und Hilfsstoffen,Takt- und Zykluszeit,Toleranzen,Verzug,
nachfolgende Fertigungsschritte
■ Umwelt- und Arbeitsschutz: Rohstoff- und
Energieverbrauch, Emissionen, Recycling,
Entsorgung, Belüftung,Absaugung, Strahlenschutz,Verletzungsgefahr
■ Kundendienst und Reparatur: Lösbarkeit,
Eigenschaftserhalt, Personalqualifikation,
Infrastruktur
■ Konstruktion:Werkstoffe,Auslegung, Geometrie,
Oberflächen, Zugänglichkeit, Gewicht
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