Mit neuartigen Integralbauweisen zu kosteneffizientem Systemleichtbau für Elektrofahrzeuge

Das Fahrzeuggewicht drastisch reduziert

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Wenn die Elektromobilität in Deutschland Fahrt aufnehmen soll, muss vor allen Dingen das Fahrzeuggewicht reduziert werden. Neue Werkstoffe und zielgerichtete Werkstoffkombinationen erfordern aber auch neue Fertigungstechnologien. Wie der Beitrag zeigt, arbeiten Forschung und Industrie im Schulterschluss an Lösungen.

Der Autor: Dr.-Ing. Rolf Langbein, freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion

Das Ziel der Bundesregierung, bis zum Jahr 2020 eine Million Elektroautos auf Deutschlands Straßen zu bringen, scheint gefährdet. Denn noch immer sprechen zu geringe Energiedichte der Akkus, zu schwere Fahrzeuge und dadurch zu geringe Reichweiten, vor allem aber zu hohe Preise, dagegen. Soll die zur Verfügung stehende Energie optimal in Mobilität umgesetzt werden, muss das Gewicht der Fahrzeuge drastisch reduziert werden.
Vor diesem Hintergrund gewinnt der Leichtbau rasant an Bedeutung. Weltweit haben Politiker und Industrien den Leichtbau als bedeutenden Innovationstreiber und damit als Schlüsseltechnologie erkannt. „Für die Elektromobilität und den gesamten Automobilbau nehmen der Leichtbau und der Einsatz neuer Werkstoffe eine zentrale Rolle ein“, sagt Prof. Helmut Schramm, bisheriger Leiter Produktion Elektrofahrzeuge der BMW Group Werk Leipzig.
In Deutschland arbeiten in Leichtbauzentren, Forschungsinstituten und in der Industrie Wissenschaftler mit Nachdruck daran, neue Werkstoffe und deren Kombinationen zu testen und geeignete, serientaugliche Fertigungstechnologien zu entwickeln. Ein Beispiel hierfür sind die Arbeiten am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden. Der langjährige Institutsleiter Professor Werner Hufenbach hatte schon zu Beginn der 90er Jahre das Dresdener Modell „Funktionsintegrativer Systemleichtbau in Multi-Material-Design“ entwickelt, das in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewinnt.
Zu Beginn des letzten Jahres haben die Dresdener Forscher das Ergebnis ihrer gemeinsamen Forschungsarbeit mit dem Leichtbau-Zentrum Sachsen und der ThyssenKrupp AG im Projekt InEco präsentiert. Der Demonstrator, ein viersitziges Elektrofahrzeug für den metrourbanen Raum, weist ein Gesamtgewicht von nur 900 kg inklusive aller Komponenten und der Batterie auf. Laut Aussage der Erbauer vereint das Fahrzeug sportives Fahrvergnügen mit umweltverträglicher Nutzung sowie kostenattraktive Bauweisen mit elegantem Aussehen. „Der InEco ist sicher nicht das Leichteste, was möglich ist“, sagt Michael Stegelmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut. Es gebe auch noch andere Aspekte. Ein wichtiger Punkt sei dabei die Wirtschaftlichkeit. „Das reine Kohlenstoffauto, wie wir es aus der Formel 1 kennen, wäre zwar bedeutend leichter, macht aber Preise erforderlich, die kein Endkunde bezahlen wird“, ist er überzeugt.
Die Partner des InEco-Projektes haben nach einem zukunftsorientierten und nachhaltigen Fahrzeugansatz gesucht. Deshalb nahmen sie gemäß eines holistischen Forschungsansatzes das gesamte Fahrzeugsystem unter die Lupe. Das Ergebnis dieser Herangehensweise ist ein generisches Projektfahrzeug in integraler Mischbauweise. Das hat ermöglicht, die Anzahl der Fahrzeugkomponenten deutlich zu reduzieren und das Leichtbaupotenzial in hohem Maße auszunutzen. Innovative Werkstoffkombinationen wie CFK-Stahl-Hybridverbunde und die Umsetzung von neuartigen Integralbau-weisen für einen kosteneffizienten Systemleichtbau spielten dabei eine große Rolle. Für neuartige Bauteile und Technologien, wie die Frontklappe in ultraleichter Sandwichbauweise oder das RTM (Resin Transfer Moulding)-Seitenteil mit integrativer CFK-Stahl-B-Säule, ist grundsätzlich deren ökologische Wettbewerbsfähigkeit gefordert.
Eine weitere wichtige Innovation ist die hochmoderne Batterietechnologie. Die Batterie, inklusive deren optimierter Klimatisierung, ist crashsicher und schwerpunktneutral im Mitteltunnel des Fahrzeugbodens integriert. Hinzu kommt die Reduzierung der Einzelmassen vieler Fahrzeugkomponenten. Die Forschungsergebnisse dieser Einzelbetrachtungen sind auch für andere Fahrzeugkonzepte nutzbar. So beträgt die Masseersparnis an Front- und Heckklappe bis zu 75 % im Vergleich zu konventionellen Stahlbauteilen ohne deren Funktionalität einzuschränken.
Auf den erzielten Ergebnissen des InEco-Projektes bauen weitere Aktivitäten auf. So ist zum Beispiel mit Thyssen Krupp Carbon Components ein Joint Venture mit einem Spin-off der TU Dresden entstanden, das konzernweit laufende CFK-Projekte bis zur Serienreife betreut.
Vielseitige Fortsetzung findet das InEco-Projekt im neu aufgelegten Forel-Projekt
„Darüber hinaus münden die Forschungsbedarfe, die wir im Laufe des Projektes erkannt haben, in einem neuen Forschungs-Projekt“, berichtet Stegelmann. „Gemeinsam mit der Nationalen Plattform Elektromobilität haben wir das Forel-Projekt initiiert und sind damit im Sommer 2013 gestartet.“
Das Forel-Projekt beinhaltet derzeit sieben Schwerpunkte: Ur- und Umformtechnologien, Fügen und Trennen, Montage und Demontage, Reparatur, Qualitätssicherung, Prozesskettenanalyse und das Recycling. „In diesen Themenschwerpunkten wollen wir gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung Lücken identifizieren“, erklärt Stegelmann die geplante Vorgehensweise, „wir wollen Wertschöpfungsketten oder den Leichtbau in der E-Mobilität analysieren und ermitteln, wo gezielt Forschungsprojekte zu starten sind.“ Im Fokus der Dresdener stehen dabei die Fertigungstechnologien. „Hier sehen wir eher Möglichkeiten, Potenziale auszuschöpfen hinsichtlich der Automatisierung, der Effizienz oder der Zykluszeiten“, hebt der Wissenschaftler hervor.
Eine erste Studie im Rahmen des Forel-Projektes hat gezeigt, dass es wohl nicht „das“ Material der Zukunft geben wird, sondern Kombinationen aus einer Vielzahl von Materialien. Da kommt der Verbindungstechnik eine hohe Bedeutung zu. Es sind erhebliche Unterschiede zu berücksichtigen, ob nur Komponenten zu ersetzen sind oder ob völlig neue Konzepte mit neuen kombinierten Werkstoffen zu fügen sind. Immer wichtiger wird dabei die Frage des Recyclings, nämlich: Wie lässt sich das wieder trennen?
Ein wesentlicher Aspekt sollte auf jeden Fall noch mitangesprochen werden. Das ist die Funktionsintegration. „Leichtbau bedeutet schon lange nicht mehr, nur die Masse zu minimieren, sondern beinhaltet ebenso die Ausschöpfung von Funktions- und Bauteilintegration bei gleichzeitiger Ressourceneffizienz und Fertigungsautomatisierung“, betont Professor Hufenbach. Funktionsintegration ist ein sehr weites Feld. „Es geht eigentlich darum, dass man ein Bauteil nicht nur für die angedachte Lösung verwendet, sondern zusätzliche Funktionen mit einbaut“, erklärt Michael Stegelmann. „Das kann zum Beispiel die Integration von Sensortechnologien in CFK-Strukturen oder zwischen Werkstoffen sein.“
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