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Klimaschutz durch Fahrzeugleichtbau

FAT-Forschung zum Leichtbau: Mischbauweise ist Zukunft des Karosseriebaus

Mit rund 40 Prozent hat die Karosserie den größten Anteil am Gesamtgewicht eines Fahrzeugs. Sollen die CO2-Emissionen des Verkehrs künftig weiter sinken, sind unter anderem Gewichtseinsparungen und damit neue Ideen im Karosseriebau gefragt.

Die Forschungsvereinigung Automobiltechnik (FAT) erforscht in Zusammenarbeit  von Herstellern, Zulieferern und der Wissenschaft neue Strategien für den Fahrzeugleichtbau. Fachleute sagen, daß sich mit konsequentem Leichtbau im Automobil Gewichtseinsparungen gegenüber konventionellen Bauweisen von bis zu 50 Prozent erreichen lassen. Wird z.B. das Fahrzeuggewicht eines Mittelklassewagens um 100kg verringert, sinkt der Kraftstoffverbrauch um bis zu
0,3 l/100 km. Wenn es also darum geht, die CO2-Emissionen zu begrenzen, stellt der Leichtbau einen sehr wichtigen Einflußfaktor dar.

Ein steigender Bedarf an erhöhter Sicherheit, mehr Komfort, verbesserten Fahrleistungen und niedrigeren Emissionen erhöhen die Anforderungen an den Leichtbau ständig. Dieser läßt sich aber nicht ausschließlich mit gewichtsarmen und hochfesten Werkstoffen, sondern auch mit einer optimalen Ausnutzung von Bauräumen und optimaler Bauteilbelastung realisieren. Hierfür sind neue Wege zur Teilberechnung und Funktionsintegration nötig, die über klassische Konstruktionsmethoden hinausgehen.

Während teure Werkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) im Premiumsegment keine Seltenheit mehr sind, können die höheren Materialkosten in der Großserie kaum weitergegeben werden. Erschwerend kommt hinzu, daß zwar die Zahl der Fahrzeugsegmente zunimmt, diese selbst aber kleiner werden. Langfristig können deshalb nur Leichtbaukonzepte Anwendung finden, die unter den Kriterien Kosten, Stückzahl, Gewicht und Funktion die ideale Eigenschaftskombination ausweisen. Mit neuen Stahlgüten ist schon viel erreicht worden. Um unter den jeweiligen Randbedingungen optimierte Lösungen abzuleiten, müssen innovative Ansätze im Zielkonflikt von Gewichtsreduzierung und ökonomischer Vertretbarkeit bewertet werden.

Unter dieser Prämisse führt der Entwicklungstrend von singulären Stahl- oder Aluminiumbauweisen hin zu modernen Mischbaustrukturen. Diese sind maßgeblich durch Entwicklungen in der Fügetechnik bestimmt. Man setzt auf der Suche nach weiteren Gewichtseinsparungen große Hoffnungen in den Werkstoff Magnesium. Dessen Anfälligkeit für Kontaktkorrosion blockiert momentan jedoch einen breiteren Einsatz ebenso wie seine geringe Bruchdehnung.

Der Blick richtet sich wie in der Luftfahrttechnik zunehmend auch auf Faserverbundkunststoffe (CFK), die bei geringem Gewicht viel Last aufnehmen können. CFK haben dabei eine besondere Bedeutung, weil sie fünfmal zugfester als Stahl und rund 30 Prozent leichter als Aluminium sind. Sie haben den Vorteil, daß die Ausrichtung der Faser möglichst optimal zur Lasteinleitung verlaufen kann und damit eine größtmögliche Lastübertragung erreicht wird. Nachteil ist, daß das Material bei Überschreitung der Festigkeitsgrenze abrupt bricht und sich nicht wie Stahl oder Aluminium plastisch verformt. Die Berechnung der Fragmentierung des Materials, zum Beispiel beim Crash, benötigt neue Material- und Rechenmodelle, an denen Forscher im Auftrag der FAT bereits intensiv arbeiten. Zumindest mittelfristig erscheint ein höherer CFK-Einsatz im Automobilbau möglich. Beim Einsatz von CFK ist nach wie vor die Kostenstruktur zu berücksichtigen. Wegen des hohen Energieeinsatzes bei der Produktion von CFK-Fasern aus der Vorläufersubstanz Polyacrylnitril muß die gesamte Ökobilanz heute noch intensiver bewertet werden.    

Vor dem Hintergrund der CO2-Minderung sowie der Trendumkehr an Gewicht neuer Fahrzeuggenerationen bewegt sich das Wachstumspotential für innovative Fahrzeugwerkstoffe auf einem hohen Niveau. Die Anbieterstruktur auf seiten der Bauteile und Rohstoffe bietet gerade den Automobilzulieferern gute Chancen. Zulieferer werden über intelligente neue Produkte und pfiffige Verfahrensentwicklungen den Marktanteil nachhaltig erhöhen.

Die Ausweitung der Modellvarianten von Fahrzeugen sowie die Modularisierung von Bauteilen bietet den Zulieferern neue Möglichkeiten, alternative Produktionsverfahren und Verbundstoffanwendungen zu entwickeln. Hierbei ist die enge Zusammenarbeit entlang der 'supply chain' ein wichtiger Bestandteil. OEMs, Rohstofflieferanten und Teilehersteller können sehr effizient zusammenwirken.

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Erstveröffentlichung: 02.04.2009 Letzte Aktualisierung: 06.02.2014