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Wie sieht das Auto der Zukunft aus?

Stahl oder Aluminium
Wie sieht das Auto der Zukunft aus?

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Verlauf und Verteilung der Werkstoffnutzung in den vergangenen Jahrhunderten sind durch stetigen Wandel gekennzeichnet. Neue Materialien kommen, andere verlieren an Bedeutung. Es ist davon auszugehen, daß diese Entwicklung auch in Zukunft anhält.

Dr.-Ing. Horst E. Friedrich und F. Welsch

Wie andere Bereiche der Technik folgt der Fahrzeugbau ebenfalls diesem Prozeß: Hier haben sich in wesentlich kürzerer Zeit Zahl und Anteile der verwendeten Materialien verändert, und es ist zu erwarten, daß die Dynamik in diesem Prozeß gerade für den Automobilbau erst bevorsteht.
Im Laufe der drei bisherigen Modellgenerationen des VW Golf hat beispielsweise der Anteil der eingesetzten Kunststoffe zugenommen, während der Anteil der Metalle leicht zurückging. Wie das Beispiel des neuen VW Passat zeigt, nimmt jedoch die Vielfalt der Werkstoffe zu, insbesondere zugunsten der Leichtmetalle Aluminium und Magnesium.
Die Werkstofftechnik ist eine Königsdisziplin im Automobilbau, die Wahl eines Werkstoffes wird ganz wesentlich von den Anforderungen hinsichtlich Funktion, Kosten, Gewicht und Umweltverträglichkeit bestimmt.
lDie Funktion bezieht sich primär auf Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit und andere zweckbezogene Merkmale; dies schließt Aspekte wie Komfort, Sicherheit und Zuverlässigkeit ein.
lDie Aufwendungen für den Werkstoff und die zur Verarbeitung erforderliche Energie summieren sich zu gut der Hälfte der gesamten Herstellkosten eines Automobils. Sorgfältige Materialauswahl und sparsamer Werkstoffeinsatz sind aus ökologischer und ökonomischer Sicht geboten. Der Begriff „Kosten“ umfaßt die gesamten Lebenszykluskosten, also auch Betrieb und Verwertung.
lDas Gewicht hat einen hohen Stellenwert. Die ökologische Gesamtbilanz des VW Golf zeigt, daß 80% der im Fahrzeugleben aufgewendeten Energie im Betrieb verbraucht wird. Das Fahrzeuggewicht hat auf diesen Verbrauchsanteil einen sehr hohen Einfluß: Beim neuen VW Passat wird ein Getriebegehäuse eingesetzt, das im Vergleich zum Vorgänger 4,5 kg leichter ist. Allein dadurch reduziert sich der Treibstoffverbrauch über die Lebensdauer gerechnet um 20 bis 30 Liter; nur das optimierte Gehäuse spart also bei 1,5 Millionen Passat bis zu 45.000 m³ Treibstoff!
lUnter Umweltverträglichkeit ist die Gesamtbilanzierung der eingesetzten Werkstoffe zu verstehen, d.h. Energieaufwand/Umweltbelastung der Herstellung, Einfluß auf Öko-Bilanz des Produktes, Recyclingfähigkeit usw.
Beispiel Triebstrang:
Man trifft bei Motor und Getriebe heute auf eine Vielzahl von Werkstoffen, ohne daß auf den ersten Blick ein Werkstofftrend erkennbar wäre. Zylinderköpfe aus Aluminium, Kurbelgehäuse aus Grauguß und Deckel aus Stahlblech sind seit Jahren Stand der Technik. Das Werkstoff-Spektrum wird ergänzt durch Kunststoff- und Verbundmaterialien, z.B. für Saugrohre, Deckel, Lüfter und Dichtungen, ferner durch Keramik als Trägerstruktur in Katalysatoren.
Eisenwerkstoffe werden in zahlreichen Varianten im Triebstrang eingesetzt:
lGußteile (Block, Krümmer, Nockenwelle),
lBlechteile (Ölwanne, Krümmer),
lSchmiedeteile (Pleuel, Kurbelwelle, Getrieberäder),
lSinterteile (Pleuel),
lSandwichstrukturen/doppellagig (luftspaltisolierte Krümmer) usw.
Bei zukünftigen Triebsträngen wird es Verschiebungen hinsichtlich Zahl und Anteil der Werkstoffe geben. Die Hauptgründe sind geänderte Forderungen an einzelne Bauteile und verbesserte Möglichkeiten der Werkstoffe. Dadurch bietet sich die Chance, bessere Motoren und Getriebe herzustellen.
Die Eingangsmotorisierung des VW Polo, der 1,0-Liter-Motor mit 37 kW, ist ein Beispiel dafür: Dort ersetzen Zylinderkurbelgehäuse aus Aluminium in „Open-Deck“-Bauweise solche aus Grauguß, mit dem überzeugenden Argument einer Massereduzierung von 35 kg auf 17,4 kg (50%). Eine ähnliche Einsparung gelang am 1,6-Liter-Motor (74kW) des neuen VW Passat.
Beim Getriebegehäuse erwächst dem etablierten Werkstoff Aluminium dagegen starke Konkurrenz durch Magnesium; das im neuen VW Passat eingesetzte Gehäuse ist etwa 4,5 kg leichter als die vergleichbare Alu-Variante.
Auch Kurbelgehäuse aus Magnesium werden angegangen, obwohl die Zuordnung in die Kategorie „innovativer Werkstoffeinsatz“ schwerfällt, wenn man an den legendären VW Käfer zurückdenkt, der ja bereits über einen Magnesium-Motorblock verfügte. Unter der Bedingung sicherer Funktionserfülllung ist bei diesen Beispielen das Gewicht der entscheidende Faktor für den Werkstoffwechsel zu Magnesium. Freilich war die Qualitätssteigerung der Mg-Legierungen, z. B. durch Einführung der high-purity-Sorten, notwendige Voraussetzung.
Auch bei Katalysatoren zeichnet sich ein Werkstoffswechsel ab; in erster Linie aus Funktionsgründen weichen Keramik-Kats ihren metallenen Pendants, nämlich zur Erzielung eines besseren Durchströmverhaltens. Zum Ausgleich eröffnet sich mit den Ein- und Auslaß-Ventilen ein mögliches neues Einsatzfeld für keramische Werkstoffe. Hier sind Gewicht, thermische Eigenschaften und Verschleißfestigkeit entscheidende Argumente. Nicht zuletzt kann die Materialvielfalt im Triebstrangbereich auch um Titan und CFK-Bauteile erweitert werden; exklusivere Fahrzeuge und Beispiele aus dem Rennsport deuten dies an.
Begünstigt wird dieser „Material-Mix“ durch eine für den Triebstrang charakteristische Randbedingung: Aus Dichtheitsgründen sind die meisten Teile gegeneinander isoliert und die vorherrschende Fügetechnik ist Schrauben. Probleme der Fügetechnik und Korrosion stellen sich daher bei richtiger Konstruktion nicht.
Beispiel Karosseriebau:
Im Karosseriebau ist Stahl der Klassiker unter den Werkstoffen; Beispiel ist die Stahl-Karosserie des neuen VW Passat. Doch diese Alleinherrschaft wird zunehmend in Frage gestellt, man denke an
–Hauben, Klappen und Kotflügel aus Aluminium oder Kunststoff,
–Fahrzeuge mit einer Kunststoff-Außenhaut wie den Renault Espace oder
–Fahrzeuge wie den Audi A8 mit seiner Spaceframe-Struktur aus Aluminium.
Die entscheidende Maxime bei der Karosserie-Entwicklung lautet: Kosten und Gewicht sind bei verbesserter Funktionalität zu senken!
Wichtige (funktionsbezogene) Auslegungskriterien für die Werkstoffwahl sind beispielsweise:
lEnergieaufnahme: Dafür sind u.a. hohe Festigkeit (Streckgrenze) und gute plastische Dehnbarkeit wichtig. So kann durch den Einsatz höherfester Stähle auch mit verringerter Blechdicke eine plastische Verformung bei hohem Kraftniveau erreicht werden.
lBeulfestigkeit von Blechflächen: Bei Außenhautteilen ist entscheidend, wie groß die bleibende Eindrückung bei einer bestimmten Druckkraft ist. Werkstoffe hoher Festigkeit erfüllen dieses Kriterium besonders gut.
lSteifigkeit von Hohlprofilen: Hierfür sind der E-Modul und die Blechstärke linear verantwortlich. Unter Beachtung der Dichteverhältnisse sind Profile gleicher Steifigkeit aus St, Al und Mg ähnlich schwer; allerdings können bei hinreichend verfügbarem Bauraum und durch individuell variierte Wandstärken z. B. bei Al-Strangpreßprofilen Gewichtsvorteile erzielt werden.
lBiegesteifigkeit von Blechflächen: Werkstoffe geringer Dichte wie z. B. Aluminium sind bei großflächigen Bauteilen im Vorteil; z. B. sind bei der Motorhaube 5 Kilo Einsparung einfach möglich. Fortschritte der Werkstofftechnologie lassen jedoch den dichtebenachteiligten Stahl auch in dieser Hinsicht konkurrenzfähig werden:
Sogenannte Mehrschichtverbunde aus dünnen Stahlblechen erreichen bei geringem Gewicht ebenfalls hohe Steifigkeiten. Die Überlegungen zeigen, daß auch bei Karosserien für verschiedene Anforderungen unterschiedliche Werkstoffe sinnvoll sind.
Wichtiges Kriterium sind die Kosten. Um bei einem Vergleich auch die (positiven) Einflüsse auf andere Bereiche des Fahrzeuges zu berücksichtigen, ist eine ganzheitliche Sicht notwendig. So kann es beispielsweise von Bedeutung sein, daß mit einzelnen Werkstoffen bestimmte Werkstofftechnologien, Umform- und Fügeverfahren eng verknüpft sind. Einige materialspezifische Verfahren erlauben es teilweise, Konstruktionen mit teureren Werkstoffen eleganter und in Summe vorteilhafter zu lösen.
So ist Magnesium nicht nur wegen seines günstigen Verhältnisses von Festigkeit zu Dichte interessant, sondern auch durch die Möglichkeit, komplexe dünnwandige Druckguß-Bauteile herzustellen. Dies begünstigt eine vorteilhafte Integralbauweise. Vorteilhaft ist auch die günstige mechanische Bearbeitbarkeit.
Ein weiteres Beispiel: Am vorderen Karosserieknoten treffen die A-Säule, der Dachlängs- und der Dachquerträger zusammen. In Schalenbauweise erfordert dieser Knoten erheblichen Aufwand für Teilegestaltung, Fügefolge und -technik.
Eine vielversprechende Alternative ist ein einteiliger Integralknoten, wie er durch Gießen oder Innenhochdruckumformen herstellbar ist. Gegossene Knoten sind in Alu, und Mg machbar, hydrogeformte werden vorzugsweise aus Stahl sein. Knotengestaltung und -fertigung wird wesentlich vereinfacht; dies sogar mehr als bei Gußknoten, weil durch IHU einteilige, geschlossene Knoten entstehen können und die gleichen Stahlwerkstoffe wie für die anschließenden Bauteile eingesetzt werden.
Natürlich beeinflußt auch die Evolution der Bauweisen den Karosseriebau und die dabei verwendeten Werkstoffe. Im konstruktiven Wettbewerb zur herkömmlichen Schalenbauweise steht dabei das Spaceframe-Konzept. Diese Bauweise verspricht Gewichtsvorteile durch die weitgehende Trennung von Profilen und Schubfeldern. In der Audi A8-Karosserie wird diese Bauweise erfolgreich angewandt, unter ausschließlichem Einsatz von Aluminium.
Wählt man den Werkstoff und das Herstellverfahren jeder Karosseriekomponente unter konsequenter Berücksichtigung der Anforderungen des einzelnen Karosseriebauteils und der Bauweise, so wird eine Karosserie aus mehreren verschiedenen Materialien erkennbar.
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