Metalle Leichtbau durch Mischbauweise, neue Strukturkonzepte und angepasste Fügetechniken

Automobilhersteller setzen verstärkt auf den Einsatz leichter und hochfester Materialien, insbesondere auf Aluminium. Damit wollen sie die Leistungsfähigkeit ihrer Fahrzeuge steigern und den Energieverbrauch reduzieren. Um die individuellen Stärken von Kunststoffen und Leichtmetallen optimal nutzbar zu machen, hat Audi bereits 1994 das Aluminium-Zentrum in Neckarsulm gegründet. Dessen jüngste Erkenntnisse wurden im neuen Audi TT und im Supersportwagen Audi R8 umgesetzt.

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Bei beweglichen Produkten spielt das Gewicht oft eine bedeutende Rolle. Weniger Gewicht zu bewegen, bedeutet geringeren Energieaufwand. Deshalb setzen Unternehmen der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie schon seit vielen Jahren auf Leichtbaukonzepte. Sie verwenden Materialien, die das Gesamtgewicht ihrer Produkte reduzieren. Für die Automobilindustrie ist besonders Aluminium von großer Bedeutung. Dies bekräftigt Frank Venier, Leiter Projektmanagement Leichtbau bei Audi in Neckarsulm: „Im Jahr 1994 haben wir mit dem Audi A8 die erste Oberklassen-Serienlimousine auf den Markt gebracht, die eine selbsttragende Karosserie ganz aus Aluminium hatte – mit dem so genannten Audi Space Frame, kurz ASF. Dieser Werk-stoff spielt insgesamt eine zunehmende Rolle.“

Vielfalt der Werkstoffe im Leichtbau nutzen

Es gibt jedoch keine Werkstoff-Monokultur. Frank Venier erklärt: „Wir setzen den aus Kosten- und Funktionssicht optimal passenden Werkstoff am richtigen Ort ein. Den Heckrahmenträger unseres neuen Supersportwagens Audi R8 – ein Steifigkeitsbauteil, das in der Karosserie verschraubt wird – stellen wir aus Magnesium her.“ Dieses Metall eignet sich insbesondere für Gussteile. Grund: Magnesium verfügt über sehr gute Fließeigenschaften und es können deshalb filigrane Geometrien gegossen werden. Bei Profilen und Blechen sind aufgrund der geringeren Umformbarkeit die Produktivität und die Gestaltungsfreiheit geringer. Deshalb ist Magnesium dort heute noch nicht wettbewerbsfähig.

Anders beim vielseitigen Aluminium. Dieses Leichtmetall ist inzwischen in der gesamten Automobilindustrie anerkannt und kann bei Automobilen flächendeckend für alle Bereiche eingesetzt werden. Es steht großindustriell in allen Halbzeugformen zur Verfügung – als Blech, Gussteil, Profil und für den Fahrwerksbereich sogar als Schmiedeteil. Mit seiner heute schon über 90prozentigen Recyclingquote weist es außerdem eine vorbildliche ökologische Nachhaltigkeit auf und besitzt hervorragende physikalische Eigenschaften. Dabei ist es natürlich wichtig, die Karosserie im Hinblick auf die Potenziale des Werkstoffs Aluminium, des Strukturkonzepts sowie der Fertigungs- und Fügetechnik optimal auszulegen.

Aluminium ist langfristig weltweit verfügbar

Aluminium ist weltweit verfügbar und damit langfristig sicher. Stahl ist das grundsätzlich auch, aber derzeit aufgrund enormer Nachfragen aus Asien sind die Preise seit einiger Zeit enorm gestiegen. Trotz aller Schwankungen ist der Grundpreis von Stahl immer noch deutlich günstiger. Letztlich aber gilt es, den Preis für die funktionsgleiche fertige Baugruppe zu betrachten. Dabei sind besonders die Halbzeugarten Guss und Profil geeignet durch Funktionsintegration Leichtbau und gleichzeitig eine Kostenreduzierung über den Entfall von Einzelteilen und Fügeoperationen zu erzielen.

Damit dies möglich wurde, holte Audi schon im Jahr 1994 Know-how aus verschiedenen Bereichen zusammen. In dem damals neu gegründeten Aluminium-Zentrum tauschten Spezialisten aus der technischen Entwicklung, der Planung und Qualitätssicherung Erfahrungen aus und verfolgten gemeinsam mit Partnerfirmen ein Ziel: Es galt, das technologische Wissen aus dem ersten Audi A8 in die Großserienfertigung des A2 zu übertragen, von dem bis zu 320 Fahrzeuge pro Tag gefertigt wurden.

Vielfältiges Know-how im Audi-Leichtbauzentrum

Vor vier Jahren benannte Audi das Aluminium-Zentrum in Aluminium- und Leichtbau-Zentrum Neckarsulm um. Dessen Grundausrichtung und Strategie ist bis heute gleich geblieben, der Name dokumentiert jedoch, dass Forschung und Entwicklung längst über den reinen Einsatz von Aluminium hinausgehen.

Mit dem in 2006 neu vorgestellten Audi TT wird einmal mehr deutlich, welche Erfolge durch technologische Weiterentwicklung im Leichtbau möglich sind. Frank Venier erklärt: „Dieses Fahrzeug ist rund 100 Kilogramm leichter als ein funktionsgleiches Fahrzeug aus Stahl. Damit verbraucht der Kunde etwa einen halben Liter weniger Sprit auf 100 km. Bei einer Fahrleistung von 20 000 km pro Jahr entspricht das einer Einsparung von 100 Liter. Gleichzeitig hat er das fahrdynamisch agilere Fahrzeug.“

Durch die Zusammenarbeit im Leichtbauzentrum ist Audi heute beispielsweise in der Lage, ein komplettes Aluminium Karosserie-Seitenteil im Tiefziehverfahren als einteiliges Blech herzustellen. Ähnliche Fortschritte werden bei den hochintegrativen Druckgussteilen und Strangpressprofilen in Zusammenarbeit mit Partnerfirmen erreicht.

Mischbauweise erfordert intelligente Verbindungstechnik

Der als Mischbauweise bezeichnete Einsatz verschiedener Materialien hat für Fahrzeuge viele Vorteile, stellt aber gleichzeitig hohe Anforderungen an die Verbindungs- und Fügetechnik. Jedes einzelne Material stellt bereits isoliert betrachtet eigene Anforderungen. Werden die Werkstoffe zudem untereinander verbunden, erhöht sich die Komplexität weiter. Die Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Werkstoffe müssen ebenso berücksichtigt werden wie ihr korrosives Verhalten untereinander.

Beim Space Frame des neuen Audi TT verwendeten die Ingenieure und Techniker des Aluminium- und Leichtbau-Zentrums aus Gewichtsverteilungsgründen 69 Prozent Aluminium im vorderen Teil und 31 Prozent Stahl im Hinterwagen des Sportwagens.

Schweißverbindungen in der Aluminium-Struktur werden meist mit dem MIG-Verfahren ausgeführt. Das Schweißen hat jedoch den grundsätzlichen Nachteil, dass Aluminium auf hohen Wärmeeintrag mit relativ großem Verzug reagiert. Leichtmetall-Experte Venier erläutert: „Wenn möglich, setzen wir deshalb auf wärmearme oder kalte Fügetechniken wie das Laserschweißen oder auf das Laser-Hybridverfahren, das eine Kombination von Laserschweißen und MIG-Schweißen darstellt.“

Kalte Fügeverfahren für Struktur und Anbauteile sind: Stanznieten, Schrauben, Falzen, Kleben. Dabei ist es häufig sinnvoll, die punktförmigen mechanischen Fügetechniken mit Klebeverfahren zu kombinieren. Gründe dafür gibt es verschiedene: Zum einen erhöht sich die Festigkeit der Verbindung, zum anderen übernimmt bei Mischverbindungen von Stahl und Aluminium der Kleber zusätzlich eine Isolieraufgabe. Er verhindert (zum Teil in Kombination mit einer Nahtabdichtung) den direkten Kontakt der Metalle, so dass keine Korrosion auftritt. Außerdem kann ein intelligent ausgewähltes Klebstoff-Konzept auch einen Teil der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der einzelnen Werkstoffe auffangen.

Flow-Drill-Schrauben formen spanlos

Erstmals wurden beim Audi TT so genannte Flow-Drill-Schrauben (FDS) eingesetzt. Mit ihnen können Blechdicken bis zu vier Millimeter in Aluminium beziehungsweise zwei Millimeter in Stahl ohne Vorloch und mit einseitiger Fügerichtung verbunden werden. Das Prinzip: Die Schraube formt spanlos mit hoher ansteigender Drehzahl und einer Anpresskraft von bis zu 1,5 kN ein Fließloch mit lehrenhaltigem Mutterngewinde. Dieser Fügeprozess wird von einem robotergestützten System mit automatischer Zuführung verarbeitet. Aufgrund des hohen Traganteils im Gewinde stellt es eine höherfeste Verbindung dar. Bei einem möglichen Reparaturfall kann die FDS durch eine herkömmliche metrische Schraube ersetzt werden.

Innovative Verbindungstechnologien ermöglichen es, die technischen Vorteile der Mischbauweise wirtschaftlich attraktiv zu gestalten. Dazu tragen in gleichem Maße die Verfahren zur Herstellung von Guss- und Profilteilen bei, die als Kaufteile zum Großteil von Lieferanten zu Audi kommen. Hier wurde bereits ein hohes Niveau erreicht.

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