Innovative Leichtbautürsysteme erfüllen trotz Gewichtsreduzierung hohe mechanische Ansprüche

Die Zukunft wird leichter – mit neuen Materialien

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Leichtbau und Effizienz bleiben aufgrund der weltweit ambitionierten CO2-Ziele die führenden Themen der Automobilbranche. Für intelligente Leichtbaulösungen sowie Komfort- und Sicherheitsfunktionen in Türen und Heckklappen erhielt der Mechatronik-Spezialist Brose in diesem Jahr u. a. den „Automotive Innovations Award“ in der Kategorie „Karosserie und Exterieur“. Den Preis verleiht das Center of Automotive Management jährlich gemeinsam mit der Wirtschaftsprüfungsgesellschaft Pricewaterhouse Coopers AG. Besondere Anerkennung fanden dabei innovative Leichtbautürsysteme – ein Bereich, in dem der Zulieferer seit Jahrzehnten immer wieder Benchmarks setzt.

Der Autor: Michael Thienel, Experte für Leichtbau, Vorentwicklung Türsysteme, Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. KG, Hallstadt

Das Familienunternehmen hat sich in der mehr als 100-jährigen Firmengeschichte vom Komponentenhersteller zum führenden Systemanbieter entwickelt. Dabei liegt das Augenmerk der Entwickler darauf, durch zukunftsorientierten Materialeinsatz jede neue Generation noch leichter und funktionaler zu gestalten – und das möglichst kostenneutral. Mit Erfolg: Innerhalb der letzten zehn Jahre reduzierte der Zulieferer das Gewicht seiner Türsysteme um rund 30 %. Und die Zukunft wird noch leichter.
Modular aufgebaute Türsysteme
Brose gilt als Erfinder der modular aufgebauten Fahrzeugtür mit Nass-/Trockenraumtrennung und legte damit den Grundstein für funktionalen Leichtbau in diesem Bereich: Auf einem Modulträger werden alle wesentlichen Funktionen zusammengefasst und bilden eine vorgeprüfte und einbaufertige Einheit. Dazu gehören Fensterheber, Schloss, Kabelbaum, Türverkleidung, Lautsprecher, Dichtungen, Sonnenrollo sowie Steuerelektronik und Crashsensorik.
Im Hinblick auf den steigenden Kostendruck und die Variantenvielfalt bei neuen Fahrzeugmodellen spielt die modulare Bauweise heute eine noch wichtigere Rolle. In der Fahrzeugtür müssen hohe mechanische Ansprüche mit der wachsenden Funktionalität und der notwendigen Gewichtsreduzierung in Einklang gebracht werden. Brose erfüllt durch den Einsatz neuer Werkstoffe und Technologien diese Anforderungen nachhaltig. Mittlerweile sind hochintegrierte Kunststoff-Türsysteme Stand der Technik. Mit Wandstärken von nur 1,8 mm bieten sie deutliche Gewichtsvorteile gegenüber Stahl: Bis zu 4 kg können in einem Fahrzeug eingespart werden.
Zusätzlich zum ohnehin leichteren Grundmaterial werden Funktionselemente in den Kunststoffträger integriert – beispielsweise Fensterheberschienen, Innengriff, Lautsprecherkorb, oder Befestigungselemente für Kabel. Dies führt zur Verringerung von Bauteilen und damit zu weiteren Gewichts- und Kostenreduzierungen.
Neue Generation spart weitere 40 % Gewicht
Mit einer neuen Generation Türsysteme geht der Zulieferer noch einen Schritt weiter: Ein intelligenter Materialmix ermöglicht zusätzliche Gewichtsreduzierung, ohne auf die benötigte Festigkeit zu verzichten. Die Trägerplatte besteht aus glasgewebeverstärktem Polypropylen (Organoblech) und wird ergänzt mit Funktionselementen aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Die Wandstärke beträgt dadurch nur 0,5 mm und der Aggregateträger bringt lediglich 580 g auf die Waage. Das bedeutet eine Ersparnis von weiteren 40 % Gewicht gegenüber Leichtbaulösungen aus langglasfaserverstärktem Polypropylen.
Im Crashtest ist das Material mindestens so sicher wie herkömmliche Türsysteme. Durch die gestalterischen Freiheiten bei der punktgenauen Ausformung der Wandstärke, des Faserverlaufes und des Lagenaufbaus können sogar in Zukunft noch weitere, festigkeitsrelevante Aufgaben auf das Modul übertragen werden: Wo mehr Festigkeit benötigt wird, wird das Material durch gezielten Lagenaufbau verstärkt oder der Faserverlauf angepasst, ansonsten bleibt die Trägerplatte hauchdünn.
Dadurch entfallen Verstärkungsbleche, die bei marktüblichen Systemen gegen Belastung durch Türabsenkung, Windlast oder Torsion im Türinnenteil notwendig sind. An crashrelevanten Stellen sorgt die Anpassung des Faserverlaufs für hohe Bruchdehnung und damit für Sicherheit.
Der Herstellungsprozess bleibt dabei einstufig: Eine vorgestanzte, erhitzte Matte aus glasgewebeverstärktem Polypropylen wird in der Spritzgussmaschine in Form gepresst. Zeitgleich werden die Funktionselemente aus glasfaserverstärktem Polypropylen angespritzt. Die daraus resultierende Zykluszeit entspricht dabei in etwa der eines rein gespritzten Bauteils aus langglasfaserverstärkten Werkstoffen.
Ein Blick in die Zukunft
Hohes Zukunftspotenzial sieht Brose zudem im Einsatz von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Das Material ist besonders leicht und dennoch hochfest: ein Verbundwerkstoff, der erhebliche Gewichtseinsparungen ohne Abstriche bei Sicherheit und Komfort ermöglicht. Wie sich der Mechatronik-Spezialist die Verwendung dieses Materials in der Großserie vorstellt, demonstriert er anhand einer Leichtbautürstruktur, die eine optimale Kombination aus Konstruktion, Material und Fertigungstechnologie darstellt.
Der aus CFK gefertigte Prototyp spart im Vergleich zu Aluminium knapp 4 kg Gewicht pro Tür, im Vergleich zu Stahl sogar 11 kg. Zusätzlich eröffnet dieses Türkonzept neue Möglichkeiten im Fahrzeugmontageprozess: Maximale Funktionsintegration ermöglicht es, die Zahl der Bauteile und damit die Kosten deutlich zu verringern. Lediglich die Außenhaut muss noch eingehängt und verschraubt werden, was den Montageaufwand beim Autohersteller erheblich reduziert. Weiterer Vorteil: Um für Reparaturen in den Nass-Raum der Tür zu gelangen oder nach Parkremplern Schäden zu beheben, kann die Außenhaut unkompliziert demontiert und gegebenenfalls erneuert werden. Brose rechnet damit, dass Türsysteme aus CFK etwa ab 2020 auch in der Großserie rentabel einsetzbar sind.
Brose, Tel.: 09561 21-0, info@brose.com
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