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Leichtbau Leichtbau durch Multimaterialbauweise

Autor / Redakteur: Thomas Götz, Dr.-Ing. Marco Schneider* / Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

Ein Leichtbaukonzept, bei dem im Bereich des Hinterwagens eines E-Autos erheblich an Gewicht gespart werden kann, ist das Ergebnis des Verbundprojektes HigHKo.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Franke GmbH
Chr. Mayr GmbH & Co. KG
Audi-Space Frame in Multimaterialbauweise
Audi-Space Frame in Multimaterialbauweise
(Bild: Audi AG)

Leichtbaulösungen rücken als Schlüsseltechnologie vermehrt in den Fokus, um gesetzliche Vorgaben und unternehmensseitige Anforderungen zu erfüllen. Dabei ermöglicht der automobile Leichtbau eine Umkehrung der sogenannten Gewichtsspirale im Fahrzeugbau. Erst der steigende Bedarf nach erhöhter Sicherheit, mehr Komfort und verbesserter Fahrleistung führten zu einer kontinuierlichen Erhöhung des Fahrzeuggewichts.

Vorallem für Elektrofahrzeuge ist der Leichtbau relevant. Denn gerade Elektroautos wiegen gegenüber vergleichbaren Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor signifikant mehr. Dabei hat das Batteriemodul einen beträchtlichen Anteil am Gesamtfahrzeuggewicht. Durch das höhere Gewicht der Batteriezellen müssen umliegende Karosseriestrukturen verstärkt werden. Eine Gewichtsspirale wird somit in Gang gesetzt und wirkt sich wiederum negativ auf die Reichweite der Elektrofahrzeuge aus.

HigHKO – Hochintegriertes BEV-Hinterwagen-Konzept

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Hinterwagens bei einem batteriebetriebenen Fahrzeug. Dieses besteht aus den Haupt-Komponenten Batteriesystem, Fahrwerk und Karosserie. Durch eine frühzeitige Abstimmung bei der Konzeption sollen die Anforderungen dieser Komponenten so berücksichtigt werden, dass im Bereich des Hinterwagens erhebliche Gewichtseinsparungen erzielt werden können.
Dabei werden neue Werkstoff-, Prozess- und Fügetechnologien eingesetzt. Insbesondere werden bionische, d.h. an der Natur orientierte, Verbindungselemente im Rahmenwerk eingesetzt, die eine erhebliche Gewichtseinsparung ermöglichen, begleitet durch eine hohe Serienfähigkeit mittels additiver Herstellverfahren. Darüber hinaus werden bspw. bei den Gehäusestrukturen der Batterie tragende Elemente aus faserverstärkten Kunststoffen mit Metallanbindung so konzipiert, dass erhebliche Gewichtseinsparungen durch die Integration ermöglicht werden.
Beteiligt an dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Verbundprojekt waren die Porsche AG, Elring Klinger AG und das Fraunhofer IPA.

Für den wirtschaftlichen Erfolg der neuen Antriebe ist es daher zwingend erforderlich, Gewicht zu reduzieren, um damit eine höhere Reichweite zu erlangen. Dabei hat vor allem die Karosserie ein großes Potenzial, denn sie macht ungefähr ein Drittel des Gewichts am Gesamtfahrzeug aus.

Umkehrung der Gewichtsspirale

Multi-Material- beziehungsweise Mischbauweisen bieten einen Stellhebel zu Gewichtseinsparungen im Automobilbau und ermöglichen im Vergleich zu reinen Faserverbundkunstoff-Bauweisen signifikante Kostenreduktionspotentiale.

Hierbei wird derjenige Werkstoff ausgewählt, der die an das jeweilige Bauteil der Fahrzeugkarosserie gestellten Anforderungen bei minimalem Gewicht bestmöglich erfüllt. Neben der reinen Massenreduktion ergeben sich weitere Vorteile. Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe reduziert nicht nur das Gewicht, sondern verbessert auch die geforderten mechanischen Bauteileigenschaften. So können beispielsweise bei hochbelasteten Strukturbauteilen Lasten durch den lokalen Einsatz kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe aufgefangen werden.

Herausforderung Fügetechnologie

Den zahlreichen Vorteilen der Mischbauweise stehen jedoch erhebliche Herausforderungen gegenüber. So stellt die Fügetechnologie zwischen artfremden Werkstoffen eine zentrale Problematik dar. Spezifische Materialkombinationen etwa schließen bestimmte Fügeverfahren grundsätzlich aus.

Auch die Krafteinleitungspunkte und -übergangsbereiche, an denen unterschiedliche Werkstoffe aufeinandertreffen, gelten als kritisch. Die Materialpartner haben unterschiedliche Eigenschaften wie:

  • Wärmeausdehnung
  • Kontakt- und Spaltkorrosion

Bei der Art der Verbindungstechnologie muss zudem berücksichtigt werden, dass diese nicht die Vorteile des Mischbaus umkehren, z.B. durch:

  • erhöhtes Gewicht
  • geringe Steifigkeit oder
  • Festigkeit im Fügebereich

Diese Hemmnisse verdeutlichen, dass sich die Erfahrungen auf dem Gebiet der klassischen Fügeverfahren nicht auf Multimaterialsysteme übertragen lassen. Der Auswahl und dem Einsatz werkstoffadäquater Fügeverfahren kommt daher eine besondere Bedeutung zu, damit die spezifischen Materialeigenschaften optimal ausgenutzt werden können.

* Thomas Götz, wissenschaftlicher Mitarbeiter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Dr.-Ing. Marco Schneider, Fraunhofer IPA

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