Der Wunsch, ein leichtes Fahrzeug zu entwickeln, ist so alt wie das Automobil selbst. Unterschiedlichste Materialpaarungen ermöglichen heute vielfältige Karos- seriestrukturen, 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 eingesetzt, 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 weiterentwickelt, 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.
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 Pultru- sion, 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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