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Leichtbau bei BMW Materialmix der Zukunft

Redakteur: Luca Meister

Die BMW Group hat den Grundstein für ein neues Leichtbauzentrum am Standort Landshut gelegt, wo künftig technologieübergreifend geforscht wird. Neben den BMW-i-Modellen werden aktuell auch bei der neuen 7er-Reihe intelligente Materialkombinationen eingesetzt. Auch im Metallbereich ist Umbruchstimmung: Die Leichtmetallgießerei setzt bei der Zylinderlaufflächen­beschichtung von Kurbelgehäusen als erster Betrieb in der Großserie auf die LDS-Technologie, ein Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen.

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Wie ein Schmetterling: Der BMW i8 besteht aus extraleichten Materialien und ist mit aerodynamischen Optimierungen und „EfficientDynamics“-Technologien ausgestattet.
Wie ein Schmetterling: Der BMW i8 besteht aus extraleichten Materialien und ist mit aerodynamischen Optimierungen und „EfficientDynamics“-Technologien ausgestattet.
(Bild: BMW Group)

Man hätte meinen können, der i3 sei ein Image-Modell. Die BMW Group gehört schließlich zu jenen Automobilherstellern, bei denen Kraft und Fahrfreude großgeschrieben wird. Doch die Bayern scheinen es wirklich ernst zu meinen mit ihrer Leichtbaustrategie. Ab Ende 2016 werden in Landshut rund 160 Ingenieure technologieübergreifend an innovativen Werkstoffen, Mischbaukonzepten und Fertigungsverfahren für künftige Fahrzeuggenerationen forschen. In unmittelbarer Nähe zur Produktion entsteht so eine Denkfabrik, die Synergien schaffen soll und den Technologievorsprung von BMW im automobilen Leichtbau festigen soll. Rund 20 Mio. Euro werden für das neue Leichtbauzentrum investiert, dessen Innovationsanspruch sich auch in seiner Gestaltung widerspiegelt: Die Gebäudearchitektur ist durch ein offenes, modernes Design mit innovativen Materialien geprägt.

Kompetenzzentrum für Leichtbau und Elektromobilität

Als «Innovationsschmiede» und Vorreiter für zukunftstaugliche Werkstoffe sei Landshut der ideale Standort für das neue Leichtbauzentrum. „Die Konzentration von Leichtmetall-, Guss-, Kunststoff- und Faserverbundkompetenz an einem einzigen Ort ist weltweit einmalig. Landshut und Leichtbau werden heute schon in einem Atemzug genannt“, sagt Oliver Zipse, Vorstand Produktion der BMW AG. Das niederbayerische Komponentenwerk leistet wichtige Beiträge für die i-Modelle. Dazu gehören auch Elektromotoren und Motorgetriebe-Einheiten, die ebenfalls dort entstehen.

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Neben dem i3 und dem i8 stecken auch im Flaggschiff der Marke, dem neuen 7er, zahlreiche Leichtbau-Innovationen aus Landshut – wie etwa Karosseriebauteile aus Carbon und Aluminium, Stoßfänger aus Kunststoff, Cockpits oder Gelenkwellen. Mit dem Technologiewandel wurden im Übrigen auch die Ausbildungsberufe an die veränderten technologischen Anforderungen angepasst. Die Mitarbeiter wurden für den Umgang mit neuen Werkstoffen und Antriebsformen entsprechend qualifiziert.

CFK auch in der neuen 7er-Reihe

Die Neuauflage der Luxuslimousine zeichnet sich nicht nur durch innovative Specials in den Bereichen Fahrdynamik, Komfort, intelligente Vernetzung und Bedienung aus, sie wurde auch mit einem ganzheitlichen Leichtbaukonzept entwickelt. Gezielt wurden verschiedene Werkstoffe kombiniert, um ein Optimum an Fahrzeuggewicht und Materialfestigkeit sowie -steifigkeit zu erreichen.

In der Fahrgastzelle kommen so zum Beispiel kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zum Einsatz, die rund 30 % leichter sind als Aluminium. Die als
„Carbon Core“ bezeichnete Karosseriestruktur basiert auf einem Technologietransfer aus den BMW-i-Modellen. Immerhin reduziert sich das Gewicht des neuen BMW 7er um bis zu 130 kg gegenüber dem entsprechenden Modell der Vorgängergeneration – dies trotz der deutlich erweiterten Komfort- und Sicherheitsausstattung.

Der neue 7er ist somit das erste Modell der BMW Group, bei dem industriell hergestelltes CFK im Karosseriebau nicht als sichtbarer Aussenhaut-Werkstoff, sondern in der Karosseriestruktur verwendet wird – nämlich im Verbund mit höchstfestem Stahl und Aluminium. Aus CFK bestehen etwa die Dachspriegel sowie die Verstärkungen des Dachrahmens, der B-Säule, der C-Säule, des Schwellers und des Mitteltunnels sowie die Gepäcktrennwand oben. Dadurch wird nicht nur das Gewicht, sondern auch – durch die Absenkung des Fahrzeugschwerpunkts – die Fahrdynamik verbessert.

Stahl und Karbon vereint

Für die neue 7er-Reihe werden im BMW-Group-Werk Dingolfing, das nur rund 30 km von Landshut entfernt ist, erstmals die Verfahren Nasspressen und Hybridpressen eingesetzt. Beim Nasspressen werden mit Harz getränkte Karbonfaser­gelege oder Karbonfasergeflechte in nassem Zustand in einem Umformwerkzeug in dreidimensionale Form gepresst und ausgehärtet. Das beim Resin-Transfer-Molding-­Verfahren (RTM) trockene Vorformen entfällt (in Landshut kommt aufgrund der Komplexität der Bauteile das RTM-Verfahren zum Einsatz). Beim Hybridpressen werden mit Harz getränkte Karbonfasergelege, ebenfalls in nassem Zustand, zusammen mit einem Stahlblechteil in ein Umformwerkzeug gebracht, verpresst und ausgehärtet. Stahl und Karbon werden hierbei fest miteinander zu einem Mischbauteil verbunden. Solche Hybridbauteile sind leicht und gleichzeitig höchst steif – sie bieten deshalb hervorragende Crash-Eigenschaften. Beide Verfahren erlauben eine besonders wirtschaftliche Grossserienfertigung mit kompakter Anlagentechnik, kurzen Taktzeiten und bis zu mehreren tausend Bauteilen pro Tag.

Der CFK-Einsatz bietet in mehrerer Hinsicht Vorteile. Neben der größeren Design­freiheit entstehen im Endeffekt wesentlich weniger Einzelteile bzw. weniger Komplexität in puncto Detailkonstruktion. Die CFK-Gelege sind außerdem perfekt auf ihre einzelnen Belastungsanforderungen auslegbar. Das heißt: Wo starke Partien benötigt werden wie zum Beispiel beim Dachrahmen, kann das Material entsprechend stärker ausgelegt werden.

Die Carbonfasern entstehen übrigens bei der Firma SGL Automotive Carbon Fibers (SGL ACF) in Moses Lake, USA. Die vollautomatisiert hergestellten Carbonfaser-Vorprodukte werden als Preforms zur Bauteilfertigung an die BMW Group geliefert. Neben den Carbonfaser-Umfängen für die Dachrahmen sind das auch Carbonfaser-Gelege und -Recyclingprodukte, die am SGL-ACF-Standort im deutschen Wackersdorf gefertigt werden. Das in Zusammen­arbeit mit BMW entwickelte Carbonfaser-Recyclat wird serienmässig in der C-Säule und in der Trennwand zum Gepäckraum beim neuen 7er eingesetzt.

Zylinderlaufflächenbeschichtung bietet ideale Tribologie

Die Leichtbaustrategien betreffen nicht nur den CFK-Bereich. Für die Herstellung von Aluminiumdruckguss-Kurbelgehäusen für Vier-Zylinder-Benzinmotoren setzt die Leichtmetallgiesserei der BMW Group – nach rund dreijähriger Entwicklungszeit – nun auf das innovative und nachhaltige Verfahren des Lichtbogendrahtspritzens (LDS). „Als branchenweit erster Gussproduzent bringen wir die LDS-Technologie für die Zylinderlaufflächenbeschichtung in Grossserie zum Einsatz und setzen so erneut einen Benchmark in der Giesserei­industrie“, sagt Dr. Peter Fallböhmer, Leiter der Leichtmetallgiesserei im Werk Landshut. „Damit unsere Triebwerke ideale tribologische Eigenschaften aufweisen, werden die Zylinderlaufflächen nicht wie branchenüblich durch eine schwere Graugussbuchse dargestellt, sondern mittels LDS durch eine nur 0,3 mm dünne Beschichtung aus einem Eisenbasis-Werkstoff erzeugt“, so Fallböhmer. Die Eisenlegierung wird als Draht dem Prozess zugeführt, mittels Lichtbogen aufgeschmolzen und in flüssigem Zustand mit hoher Geschwindigkeit auf die Laufflächen geschossen.

Die LDS-Technologie bietet signifikante Vorzüge wie geringere Reibungsverluste im Bereich der Zylinderlaufflächen und damit einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch. Weitere Vorteile sind die hohe Designfreiheit und die hohe Materialflexibilität, optimale Verschleisseigenschaften sowie die sehr gute Wärmeübertragung in das Kurbel­gehäuse. Darüber hinaus zeichnen sich die – mittels LDS beschichteten – Zylinder durch eine enorme mechanische und thermische Robustheit aus. Das Lichtbogendrahtspritzen lässt sich, unabhängig vom Herstellprozess eines Kurbelgehäuses, im Druck-, Kokillen- sowie Sandguss einsetzen.

Leichtbau und Roboter

Da die Nachfrage nach Komponenten aus der Leichtmetallgießerei verschiedene Materialien (Aluminium, Magnesium) umfasst und mitunter Schwankungen unterliegt, setzt die Leichtmetallgießerei von BMW auf flexible Gießzellen, mit denen umgehende Produktwechsel möglich sind.

Auch bei der täglichen Forschungsarbeit werden im Leichtbauzentrum innovative Systeme und Verfahren zum Einsatz kommen. Körperlich anstrengende und nicht ergonomische Tätigkeiten werden von Leichtbaurobotern ausgeführt, die ohne Schutzzaun Seite an Seite mit den Mitarbeitern kooperieren. Die Programmierung dieser Roboter folgt dabei einem einfachen Prinzip. Der Mitarbeiter greift den Arm des Roboters und leitet ihn an. Der Bewegungsablauf wird abgespeichert und ist fortan beliebig wiederholbar.

Von den im Zuge der BMW-i- und BMW-7er-Komponentenproduktion geschaffenen Strukturen und neuen Fertigungstechnologien für den Leichtbau werden künftig auch weitere Fahrzeugmodelle profitieren. Wir sind gespannt, was die Landshuter Denk­fabrik in Zukunft alles hervorbringen und umsetzen wird.

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