Leichtbau: Vom Material zur Form

Leichtbau: Alles anders bei Elektro

Die Erfordernisse des Klimaschutzes eröffnen im Leichtbau völlig neue Perspektiven. So verschiebt sich der Focus auch durch neue Konstruktions- und Herstellungsmethoden vom Material zur Formgebung.

Leichtbau: Alles anders bei Elektro

Auch wenn die vollmundig angekündigte „Umkehrung der Gewichtsspirale“ nicht wirklich stattgefunden hat, so gelang es Audi im Jahr 1994 mit Präsentation des A8 doch, einen epochalen Schritt auszulösen. Mit dem klaren Bekenntnis zur Vollaluminium-Karosserie wurde die ganze Branche samt dahinterliegenden Zulieferern aus einem sehr bequemen Alltag aufgeschreckt. Die Frage war vakant, für die mächtige Stahlindustrie ein Alptraum: Sollte nun Aluminium über Lang oder eher schon Kurz Stahl als dominierenden Werkstoff im Automobilbau ersetzen? Erstmals wurde auch mit Energiebilanzen jongliert. Die Herstellung von Aluminium ist ja fast fünfmal so energieintensiv wie von Stahl.1 Leicht war unter diesem Damoklesschwert der Vorteil des Wunderwerkstoffs nicht zu erklären, aber man berief sich auf gute Recycling-Eigenschaften, was in dieser Form nicht einmal stimmte. Danach stieg der Anteil an Aluminium in Fahrzeugen allmählich an. Vollaluminium-Karosserien blieben aber bis heute die Ausnahme.

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BLECHE UND PROFILE, gegossen, gewalzt oder gepresst: Sie spielen von der Fahrzeugmasse her die Hauptrolle. Stahl und Aluminium stehen dabei in harter Konkurrenz. Die geforderten Energie- und CO2-Bilanzen bringen eine neue wesentliche Facette ins Spiel. Stahl lässt sich ohne Qualitätsverlust recyceln, Aluminium nur bei präziser vorheriger Trennung der Legierungen. Sonst kommt es zu so genanntem Downgrading der Qualität. Darüber hinaus gäbe es noch Titan. Es ist zwar extrem leicht bei hoher Festigkeit, besitzt aber sehr zugespitzte Eigenschaften, so dass der mögliche Einsatzbereich eher eng ist. Der hohe Preis und die speziellen Eigenschaften werden am ehesten in der Luftfahrt und im Motorsport akzeptiert. Foto: © Mercedes-Benz

Aluminium in großer Serie seit 1948

Fast ein Vierteljahrhundert später passierte etwas ganz Ähnliches: BMW präsentierte sein erstes vollelektrisches Serienfahrzeug, den i3. Seine Karosserie besteht annähernd zur Gänze aus Kohlenstofffaser. Der Gewichtsvorteil ist unbestreitbar, das Marketing dahinter perfekt. Folglich glaubte die halbe Welt an einen technologischen Paradigmenwechsel. Die Entscheidungsträger wurden wieder nervös, und zwar so sehr wie nie zuvor: Sollten nun Kohlenstofffaser-Werkstoffe bald Stahl und Aluminium zumindest im Bereich des Fahrzeugaufbaus ablösen? Das wirklich bewegende Moment in beiden Fällen war aber nicht die neue Technologie, in beiden Fällen war sie gar nicht so neu. Aluminiumkarosserien gab es immer wieder bei Luxusfahrzeugen und beim Land Rover seit 1948. CFK-Chassis sind über Jahrzehnte schon im Rennsport eine Selbstverständlichkeit. In beiden Fällen waren die Erwartungen in die neuen Werkstoffe viel größer als sich in der Realität dann erfüllen konnte. Enorm waren aber die Veränderungen, die die neue Konkurrenz seitens der etablierten Technologien auslösten.

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MAGNESIUMTEIL ALS FEDERDOMSTREBE (hier beim aktuellen Audi A8). Magnesium kommt immer wieder bei einzelnen Teilen zum Einsatz. Am ehesten aber doch nur sporadisch bei Sitzgestellen, Armaturenträgern und Lenkrädern. Als historisches Beispiel sei auch das Getriebegehäuse des VW Käfer angeführt. Am öftesten noch wird es als Legierungsbestandteil von Aluminium herangezogen. Magnesium ist noch viel leichter als Aluminium, aber schwierig im Umgang. Im flüssigen Zustand und auch pulverförmig ist es extrem leicht entflammbar. Ein spezielles Schutzgas ist beim Schmelzen von Magnesium notwendig. Diese Schwefel-Fluor-Verbindung namens SF6 ist extrem treibhausfördernd. Der Weltmarkt für Magnesium ist sehr klein. Das alles zusammen macht Magnesium teuer und risikoreich, Techniker wie Kaufleute schrecken eher davor zurück. © Audi

Kostspieliger Vorstoß mit CFK

Eine derartige Wirkung entsteht aber nicht durch Bekenntnisse, Versprechungen, Verkündungen, auch nicht durch Marketing alleine. In beiden Fällen machte man für die ganze Weltwirtschaft den Ernst der Absicht klar, indem mit sehr hohen Investitionen Produktionsanlagen zuerst für Aluminiumbauteile dann für Kohlenstofffaserherstellung und -verarbeitung errichtet wurden. Zweifellos auch ein kostspieliger Vorstoß, zuerst für Audi mit Alu, dann für BMW mit Kohlefaser. Während sich Aluminium und CFK also anschickten, den Automobilbau zu revolutionieren, lief die Stahlindustrie im mehrfachen Sinn des Wortes zu neuen Formen auf. Stahl hatte und hat heute noch hohes Potenzial zur Weiterentwicklung und ist in manchen Bereichen unschlagbar, und zwar hauptsächlich dann, wenn es um möglichst niedrige Preise, möglichst hohe Stückzahlen und fast lückenloses Recycling geht. Aber auch konkret in seinen Eigenschaften: Selbst der jüngste Audi A8, dessen Struktur und Oberfläche nahezu vollständig aus Aluminium besteht, hat eine B-Säule aus Stahl, weil anders die hohen Crash-Anforderungen nicht vernünftig zu erfüllen wären.

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CFK – KOHLENSTOFFFASER-VERSTÄRKTE KUNSTSTOFFE sind die einzigen Kunststoffe, die in ihrer Festigkeit Metallen Konkurrenz machen können. Sie gelten als Synonym für den Fortschritt im Leichtbau. Kohlenstofffasern sind in eine Epoxidharz-Matrix eingebettet. Damit lassen sich Bauteile von sehr hoher Steifigkeit und geringem Gewicht herstellen. Die kostspieligen Versuche einiger Autohersteller in den vergangenen zwei Jahrzehnten, damit in wirklich große Serien zu gehen, kann man als gescheitert betrachten. CFK-Bauteile sind das Ergebnis der bisher herrschenden einseitigen Betrachtung des Energiebedarfs. Die Gewichtseinsparung bringt zwar Einsparungen beim Verbrauch. Der zusätzliche Energieaufwand bei der Herstellung des Fahrzeugs ist aber erheblich. Und darauf wird seit Kurzem vermehrt der Fokus gelegt. Spätestens aber, wenn man die enormen Hürden beim Recycling mit einbezieht, erscheint dieser Werkstoff beim Auto nur mehr in Spezialanwendungen zielführend, sprengt in massenhafter Verwendung als Metallersatz aber jede Energie-, Stoff- und CO2-Bilanz. Foto © BMW

Gesamtbilanz beeinflusst Werkstoffwahl

Jetzt stehen wir vor einer neuen Abzweigung. Nicht mehr der Ehrgeiz oder die Strategie eines einzelnen Autoherstellers wirft den Ball nach vorne. Der jüngste Impuls für einen Richtungswechsel kommt von außen. War bisher ausschließlich der Verbrauch beim Fahren das Maß aller Dinge für den Energieeinsatz beim Autofahren, zählten bisher nur Spritverbrauch und Schadstoffausstoß bei der Einstufung der Umweltwirkungen eines Automobils, wird der Blick nun vermehrt auf die Gesamtenergiebilanz über den kompletten Lebenszyklus des Fahrzeugs gerichtet. Das hat mit der zunehmenden Bedeutung von Elektroautos zu tun. Lag der Energieeinsatz zur Herstellung eines konventionellen Autos kaum über zehn Prozent, und an die 90 Prozent fielen auf den Spritverbrauch, dreht sich dieses Verhältnis nun. Vor allem durch den hohen Energieeinsatz zur Herstellung der Batterien und den gleichzeitig sehr hohen Wirkungsgrad des Elektroantriebs beim Fahren,  entfallen nun an die fünfzig Prozent des Energieaufwandes im Lebenszyklus auf die Herstellung und nur mehr etwa die andere Hälfte auf den Betrieb.

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VERBINDUNGSTECHNIKEN. Die Zukunft gehört dem Multimaterialmix. Damit kommt auch den Fügetechniken im Leichtbau eine Schlüsselrolle zu. Die Möglichkeiten des Computer-aided Designs machen es immer leichter, Werkstoffe ihren größten Talenten entsprechend zu dimensionieren und flexibel einzusetzen. Der so genannte Materialleichtbau verschmilzt mit dem Formleichtbau. Dafür ist es unerlässlich, die einzelnen Bauteile verlässlich aneinanderzufügen. Die bisher geläufigsten Begriffe lauteten Nieten, Schweißen, Kleben. Die zuweilen oft simplen Methoden werden aber zusehends verfeinert. Auch darin liegt ein erhebliches Potenzial zum Leichtbau, etwa wenn es gelingt, Aluminium mit Stahl zu verschweißen oder zumindest zu verlöten. Foto: © BMW

Werkstoffwahl versus Formgebung

Die Reduktion des Fahrzeuggewichts ist immer noch wichtig, hat aber seine Rolle verändert. Natürlich erfordert das hohe Gewicht der Batterien alleine schon gezielte Maßnahmen zur Gewichtseinsparung, Auf den Verbrauch beim Fahren hat das Gewicht beim Elektroantrieb aber viel weniger Einfluss, nämlich durch die Möglichkeit des Rekuperierens, also die Energierückgewinnung beim Ausrollen und Bremsen. Bedeutender als die Umkehrung der Gewichtsspirale sind heute also die Forderungen nach geringem Energieeinsatz und geringstmöglicher Klimaschädigung schon bei der Herstellung und die Zielvorstellung von nahezu vollständigem Recycling. Das ist es, was die Materialwahl in Zukunft prägen wird.

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METALLTEILE IN 3D-DRUCK. Dass Autos künftig einfach aus dem 3D-Drucker kommen werden, ist wohl eine etwas naive Vorstellung, auch wenn behauptet wird, dass sogar Häuser in 3D-Druck gebaut werden können. Gelebte Wirklichkeit ist aber, dass einzelne Bauteile bereits in 3D-Druck gefertigt werden. Das ist in Kunststoff möglich, aber auch in Metall wie hier am Beispiel eines 3D-gedruckten Teils am BMW i8. Dabei wird Metallpulver als Grundlage verwendet. Die faszinierende gestalterische Perspektive beim 3D-Druck ist, dass bei ein und demselben Bauteil ohne Fügen verschiedene Metalle verwendet werden können und so zusätzlicher Freiheitsgrad in der Konstruktion und Berechnung entsteht. Bei Serienfertigung stellt aber der Zeitfaktor eine Schlüsselrolle dar. So wie die langen Zeiten zum Aushärten von Kohlefaserwerkstoffen die Serienfertigung bremsen, stellt auch die Dauer des Druckprozesses noch eine wesentliche Hürde für die Verbreitung dar. Foto: © BMW

Energieeinsatz und Recycling

Stahl bleibt im Recycling beliebt, weil es unproblematisch eingeschmolzen und danach wieder zu höchsten Qualitäten legiert, gegossen, gewalzt und geschmiedet werden kann. Das ist bei Aluminium nicht so einfach. Hier ist sortenreine Trennung verschiedener Legierungen vor dem Recycling zwingend notwendig, sonst kommt es zu gravierenden Qualitätseinbußen. Das Recycling von Aluminium ist aber Grundvoraussetzung für eine gute Energiebilanz, da es erst im zweiten Durchgang durch geringen Energieeinsatz glänzt.

Leichtbau: Alles anders bei Elektro
COMPUTER-AIDED DESIGN. Das wichtigste Instrument ist der Computer, das beste Schmiermittel für den Fortschritt sind intelligente Programme. Leichtbau ist viel mehr als nur eine Materialfrage. Wer die Bauteile besser auf ihren Einsatz hin berechnen und optimieren kann, spart Material und damit Gewicht und auch noch Geld. Durch präzise Berechnung und Fertigung können Sicherheitsreserven, die oft einen erheblichen Teil des Gewichts ausmachen, zurückgenommen werden. Viele Prozesse sind mittlerweile miteinander verknüpft von der Idee über die Gestaltung des Produkts und die Simulation der Funktionsabläufe bis zur Zuverlässigkeitsprüfung des Endprodukts. Als EDV-seitige Hemmschuhe im Leichtbau gelten völlig ungelöste Probleme im Datenschutz oder mangelnde Bereitschaft für globale Standards aus Wettbewerbsgründen. Foto: © BMW

Rückbesinnung auf Alu, Stahl und ein bisschen Magnesium

Die exotischen Werkstoffe sind angesichts des enormen Kostendrucks durch die Elektrifizierung des Automobils derzeit eher an den Rand gedrängt. Das Rennen läuft zwischen Stahl und Aluminium. Und hier spielt das Batteriegehäuse eine tragende Rolle im wahrsten Sinn des Wortes. Hier beherrscht derzeit Aluminium das Geschäft, aber auch Stahl will das Feld nicht kampflos räumen, will vor allem dort punkten, wo der Kostendruck am größten ist, im unteren Preissegment bei den Pkw und vor allem bei den Nutzfahrzeugen.

Rudolf Skarics

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