LEICHTBAUTECHNOLOGIE IM AUTOMOBILLehrstuhl Konstruktion und Fertigung Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger V. Automobilzuliefertag „Herausforderung Elektromobilität

Lehrstuhl Konstruktion und FertigungProf. Dr.-Ing. Bernd Viehweger

V. Automobilzuliefertag„Herausforderung Elektromobilität“

8. November 2011, Frankfurt (Oder)

20.12.2011 Bild 1

8. November 2011V. Automobilzuliefertag

„Herausforderung Elektromobilität“in Frankfurt (Oder)

Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger BTU Cottbus, Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung

LEICHTBAUTECHNOLOGIEIM AUTOMOBIL




20.12.2011 Bild 2Gliederung

1.

Entwicklung im Automobilbau

2.

Leichtbau im Automobilbau

3.

Leichtbaukonzepte für Elektrofahrzeuge

4.

Zusammenfassung





1.


2.


3.


4.

Zusammenfassung




20.12.2011 Bild 4

VERKEHRVERKEHR

Verkehr und Verbrauch

Verbrauch von Primärenergien, vorwiegend fossile Energie mit begrenztem Vorkommen

Dynamische Reichweite:• Erdöl ca. 30 Jahre

• Erdgas ca. 50 Jahre

• Kohle ca. 150 Jahre

Verbrauch von Primärenergien, vorwiegend fossile Energie mit begrenztem Vorkommen

Dynamische Reichweite:• Erdöl ca. 30 Jahre

• Erdgas ca. 50 Jahre

• Kohle ca. 150 Jahre

Emissionen wie• Treibhausgase

• Partikel, z.B. Ruß

• Stickoxide

Emissionen wie• Treibhausgase

• Partikel, z.B. Ruß

• Stickoxide

Maßnahmen zum EnergiesparenMaMaßßnahmen zum Energiesparennahmen zum EnergiesparenAgenda 21Agenda 21

durch• Verbesserung des

Wirkungsgrades • Leichtbau• Elektromobilität• …

durch• Verbesserung des

Wirkungsgrades• Leichtbau• Elektromobilität• …




20.12.2011 Bild 5Energieeinsparung im Verkehr

•

Hohe Energie- / Kraftstoffpreise

•

Reichweitensteigerung

•

Nutzlasterhöhung

•

Nutzwertsteigerung

•

Umweltschonung

•

Hohe Energie- / Kraftstoffpreise

•

Reichweitensteigerung

•

Nutzlasterhöhung

•

Nutzwertsteigerung

•

Umweltschonung

•

Wirkungsgradsteigerung

•

Leichtbau

•

Hybridantrieb

•

Brennstoffzelle

•

Elektroantrieb

•

Wirkungsgradsteigerung

•

Leichtbau

•

Hybridantrieb

•

Brennstoffzelle

•

Elektroantrieb

•

Gas

•

Biodiesel

•

Wasserstoff

•

Elektroenergie

•

Gas

•

Biodiesel

•

Wasserstoff

•

Elektroenergie

Strategien der Anbieter vonVerkehrsmittelnaller Art

Motivationen für sparsamen Umgang mit Energie

Motivationen für sparsamen Umgang mit Energie

Effizienzsteigerung durchEffizienzsteigerung durchEffizienzsteigerung durch

Alternativenergien wieAlternativenergien wieAlternativenergien wie




20.12.2011 Bild 6Einfluss des Gewichts auf den Verbrauch

Triebstrang und Aggregate 11 %

Rollwiderstand10 %Luftwiderstand

50 %

Nutzlastverbrauch29 %

Verbrauchsbilanz bei konstant 120 km/hVerbrauchsbilanz bei konstant 120 km/h

Durch eine Gewichts-reduzierung

wird derKraftstoffverbraucham deutlichsten imStadtzyklus verringert.

Durch eine Gewichts-reduzierung

wird derKraftstoffverbraucham deutlichsten imStadtzyklus verringert.

Verbrauchsbilanz bei ECEVerbrauchsbilanz bei ECE--StadtStadt

Triebstrang und Aggregate6 %

Massenbeschleunigung17 %

Rollwiderstand6 %Luftwiderstand

3 %Nutzlastverbrauch

66 %

nicht spezifiziert 2 %

(Quelle: Bobbert)




20.12.2011 Bild 7Kraftstoff-

und Emissionsreduzierung durch Leichtbau

100 kg Gewichtseinsparung führt zu

Energieeinsparung von 0,3 bis 0,5 l / 100 km

• Ein um 100 kg leichterer Golf verbraucht auf 100 km etwa 0,3 l weniger Kraftstoff.

• Bei einer jährlichen Fahrleistung des PKW von 11600 km entspricht dies einer Kraftstoff- einsparung von 35 l.

• Hochgerechnet auf 17 Millionen Personenkraft- wagen, die in Europa 2002 hergestellt wurden, entspricht dies einer CO2 -Emissionsreduzierung von 1,5 Millionen Tonnen und einem um 0,6 Millionen Kubikmeter reduzierten Kraftstoff- verbrauch (entspricht einer Reihe Tanklastzüge von Wolfsburg nach Frankfurt).

100 kg Gewichtseinsparung führt zu

Energieeinsparung von 0,3 bis 0,5 l / 100 km

• Ein um 100 kg leichterer Golf verbraucht auf 100 km etwa 0,3 l weniger Kraftstoff.

• Bei einer jährlichen Fahrleistung des PKW von 11600 km entspricht dies einer Kraftstoff- einsparung von 35 l.

• Hochgerechnet auf 17 Millionen Personenkraft- wagen, die in Europa 2002 hergestellt wurden, entspricht dies einer CO2 -Emissionsreduzierung von 1,5 Millionen Tonnen und einem um 0,6 Millionen Kubikmeter reduzierten Kraftstoff- verbrauch (entspricht einer Reihe Tanklastzüge von Wolfsburg nach Frankfurt).

(Quelle: VW autogramm, Ausgabe Nr. 7-8, Juli 2003; Verkehr in Zahlen,Handbuch des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Wohnen)

Abhängig vom Fahrzyklus (Stadt, Autobahn),Fahrzeuggewicht, Antrieb usw.

Energieeinsparung durch LeichtbauEnergieeinsparung durch Leichtbau im Fahrzeugbauim Fahrzeugbau




20.12.2011 Bild 8Gewichtsentwicklung PKW-Mittelklasse 1970-2010

(nach VOLKSWAGEN AG)




20.12.2011 Bild 9Karosseriekonzepte

SICHERHEIT, KOMFORT

GE

WIC

HT

Fahrwerk Selbsttragende Karosserie Space-Frame Mischbauweise

LEICHTBAU

(Audi) (Audi) (BMW)





1.


2.


3.


4.

Zusammenfassung





2.


• Formleichtbau

• Werkstoffleichtbau- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK

• Fertigungsleichtbau




20.12.2011 Bild 12Was ist Leichtbau?

Leichtbau hat zum Ziel, aus funktionalen oder ökonomischen Gründen das Gewicht zu reduzieren oder zu minimieren, ohne die Tragfähigkeit, die Steifigkeit oder andere Funktionen der Konstruktion zu schmälern oder die Tragfähigkeit ohne Gewichtszunahme zu verbessern. (Wiedemann, Leichtbau)

Leichtbau hat zum Ziel, aus funktionalen oder ökonomischen Gründen das Gewicht zu reduzieren oder zu minimieren, ohne die Tragfähigkeit, die Steifigkeit oder andere Funktionen der Konstruktion zu schmälern oder die Tragfähigkeit ohne Gewichtszunahme zu verbessern. (Wiedemann, Leichtbau)

Einteilung:

Sparleichtbau (Kostenreduzierung)

Ökoleichtbau (Energieeinsparung)

Zweckleichtbau (hohe Beschleunigung, Realisierung extremer Ausmaße)

Stoffleichtbau (Substitution schwerer durch leichtere und festere Werkstoffe)

Verbundleichtbau (Werkstoffkombinationen)

Formleichtbau (durch Formgebung und bessere Kräfteverteilung ein hohes Trag- vermögen einer Struktur mit geringstem Stoffeinsatz erreichen)

Konzeptleichtbau (optimale Anpassung der Einzelkomponenten an das Gesamtkonzept)

Bedingungsleichtbau (Abbau überzogener Sicherheiten)

Fertigungsleichtbau (Gewichtsminimierung ermöglicht durch Fertigungsprozesse)




20.12.2011 Bild 13

LEICHTBAULEICHTBAU

Definition des Leichtbaus

FormleichtbauFertigungsleichtbau

Innovative Umformtechnik (Walzprofile)

Innovative Fügetechnik (Laserschweißen)

Innovative Halbzeuge (Tailored Blanks, Tailored Tubes)

Werkstoffleichtbau

Hochfeste Stähle

Aluminium

Magnesium

Kunststoffe

Verbundwerkstoffe

Formgebung

Kräfteverteilung

Anpassung der Einzelkomponenten an das Gesamtkonzept

Konzeptleichtbau




20.12.2011 Bild 14

WERKSTOFFEWERKSTOFFE

• Stahl

• Aluminium

• Magnesium

FERTIGUNGS- TECHNOLOGIEN

FERTIGUNGS- TECHNOLOGIEN

• Umformen mit Wirkmedien

• Presshärten

• Laserschweißen

BAUWEISENBAUWEISEN

• Schalenbauweise

• Space-Frame- Bauweise

• Integralbauweise

•••

Zusammenwirken von Werkstoffen, Bauweisen und Fertigungstechnologien




20.12.2011 Bild 15

(Quelle: ThyssenKrupp Automotive)

ElektrikKarosserie

Fahrwerk

FlüssigkeitAusstattung

23 %Motor und Antriebsstrang

26 %

5 %

3 %

21 %

22 %

SicherheitKomfortEmissionVerbrauch

PreisIndividualität

Anteil verschiedener Komponenten am Gesamtgewicht eines Fahrzeugs





2.


• Formleichtbau






20.12.2011 Bild 17Schematische Darstellung eines Flugzeugrumpfes

indie Verkleidung trägt hierbei nicht

Fachwerk-Bauweise

alsdie Verkleidung trägt vorwiegend auf Schub

Vollwandsystem

alsdie Verkleidung kann Normal- und

Schubkräfte abtragen

Schalensystem

Verkleidung

Verkleidung

Fachwerk

Gurt

Stringer

Spanten

Profile

Knoten

(Quelle: Klein)




20.12.2011 Bild 18Form-

/ Konzeptleichtbau

Differential-bauweise

Integral-bauweise

Schalen-bauweise

Bauweisen charakterisiert nach Trageigenschaften

Bauweisen charakterisiert nach TrageigenschaftenBauweisen charakterisiert nach

funktionalen Gesichtspunkten

Bauweisen charakterisiert nach funktionalen Gesichtspunkten

FORM-

/ KONZEPTLEICHTBAUFORMFORM--

/ KONZEPTLEICHTBAU/ KONZEPTLEICHTBAU

Space-Frame-Bauweise

(Bilder: Audi) (Bilder: nach Klein)





2.


• Formleichtbau






20.12.2011 Bild 20

METALLISCHE WERKSTOFFEMETALLISCHE WERKSTOFFEMETALLISCHE WERKSTOFFE

Metalle -

Strukturwerkstoffe

• Aluminium

• Aluminium / Lithium

• Titan-Legierung

• Magnesium-Legierung

• Titanaluminide

• ...

• Aluminium

• Aluminium / Lithium

• Titan-Legierung

• Magnesium-Legierung

• Titanaluminide

• ...

LeichtmetalleLeichtmetalle

• Höherfeste Stähle

• Höchstfeste Stähle

• Rostfreie Edelstähle

• ...

• Höherfeste Stähle

• Höchstfeste Stähle

• Rostfreie Edelstähle

• ...

• Faserverbund- werkstoffe

• Schichtverbunde

• Aluminiumschaum- sandwiche

• Metall-Kunststoff- Verbunde

• ...

• Faserverbund- werkstoffe

• Schichtverbunde

• Aluminiumschaum- sandwiche

• Metall-Kunststoff- Verbunde

• ...

WerkstoffverbundeWerkstoffverbundeStähleStähle





2.


• Formleichtbau

• Werkstoffleichtbau

- Stahl- Aluminium- Magnesium- Werkstoffverbunde- Multimaterial-Bauweise- Strukturierte Bleche- CFK





20.12.2011 Bild 22Innovationen bei Stahlblechen

INNOVATION: Höherfeste Bleche

Innovationsfelder

Energieeffizienz Materialeffizienz Prozesseffizienz

ENERGIE

• Wirkungsgraderhöhung

• Leichtbau

BAUEN

• Leichte, tragfähige Strukturen

• Wetterfeste Bauteile

MASCHINENBAU

• Leichte hochfeste Maschinenteile

AUTOMOBIL

• Leichtbau

• Crashsicherheit

(nach Tröster, Rostek; Benteler Automobiltechnik GmbH)




20.12.2011 Bild 23

(Quelle: ThyssenKrupp)

B-Säule aus hochfestem Stahl

• Streckgrenze:

• Zugfestigkeit:

• Bruchdehnung A80:

793 N/mm2

903 N/mm2

14 %

ZStE 340 (Blechdickenerhöhung für gleiche Crasheigenschaften)

4,7 kg/Fahrzeug

CPW 800, Blechdicke: 2 mm

Verstärkung B-Säule BMW E39 aus Komplexphasen Stahl CPW 800




20.12.2011 Bild 24Innovative Konzepte für Fahrzeuge aus Stahl (ULSAB-AVC)

ULSAB-Projekt

Konzept basiert auf• Anwendung von neuen hochfesten Stahl-

werkstoffen

• modernen Stahlprodukten wie Tailored Blanks, Welded Tubes und Tailored Tubes

• innovativen Fertigungsverfahren sowie Konstruktionstechnologien

Fahrzeug-Leergewicht 933 kg(200 kg unter dem Durchschnitt heutiger (2002) Fahrzeuge)

ULSAB

Ultra Light Steel Automotive Body

AVC

Advanced Vehicle Concept(Quelle: ULSAB-AVC-Konsortium)




20.12.2011 Bild 25ULSAS-Achstypen

Federbein Achse

Verbundlenker Achse

Mehrlenker Achse

„LOTUS UNIQUE“ Achse

Doppel-QuerlenkerAchse

- 25 %- 17 %

- 32 %

- 3 % im Vgl. zu Aluminium

- 34 % im Vgl. zur Doppelquerlenker-Achse

- 2 %- 0 %+

- 6 %

- 30 %

- 22 %

GEWICHTKOSTEN

ULSAS

Ultra Light Steel Auto Suspension(Quelle: Stahlunternehmen im ULSAS-Projekt)

ULSAS-Projekt




20.12.2011 Bild 26

Tailored BlanksBleche aus verschie-denen Blechgüten oder Blechdicken

Anwendung:• Bauteile für

Fahrzeugkarosserie

Vorteile:• Belastungsangepasste

Auslegung• Hohe Crashsicherheit• Gewichtsreduzierung

Seitenteil aus Tailored Blanks

(Quelle: ThyssenKrupp)

Tailored Blanks




20.12.2011 Bild 27Presshärtbare

Borstähle

Presshärtbare

Borstähle

Stre

ckgr

enze

[MP

a]

Bruchdehnung [%]

Presshärtbare

Borstähle

nach dem Presshärten

vor dem Presshärten

Vorteile

• Gewichtsminimierung

• hohe Crashsicherheit

• gute Umformbarkeit beim Presshärten

(nach Tröster, Rostek; Benteler Automobiltechnik GmbH)




20.12.2011 Bild 28Presshärten -

Anwendungsbeispiele

Dachrahmen-Verstärkung

Türbalken

Vorderer Stoßfänger Längsträger-Verstärkung

A-Säulen-Verstärkung

Säulen-Verstärkung

HintererStoßfänger

Fensterrahmen-Verstärkung

Schweller-Verstärkung

(Quelle: Benteler Automobiltechnik GmbH)




20.12.2011 Bild 29Gewichtsreduzierung beim Leichtbau mit Stahl

Bauteil Gewichts-

reduzierung

in %Bauteiltypische Erkenntnisse

Volkswagen Polo• Tür

11,2 Tailored BlankPlatine mit 2 Schweißnähten

Volkswagen Polo• Federbeinaufnahme

15,2 Werkstoffgerechte Substitutionslösung

Audi A4• Hilfsrahmen

12,6 Die Schweißnaht begrenzt die Blechdickenreduzierung

Mercedes Benz• C-Modell• Konsole• Querlenkerträger

14,0 Noch keine Umsetzung in Hardware

Beispiele für Gewichtsreduzierung beim Leichtbau mit Stahl

(Forschungsprojekt des VDEh und der Studiengesellschaft Stahlanwendung)





2.


• Formleichtbau






20.12.2011 Bild 31Aluminium -

Legierungsentwicklung

LegierungsentwicklungLegierungsentwicklung

AluminiumgussAluminiumguss

AluminiumknetlegierungenAluminiumknetlegierungen

hochfeste dünnwandige Druckgusslegierunghochfeste dünnwandige Druckgusslegierung

hochfeste Legierungenhochfeste Legierungen

• Getriebegehäuse• Zylinderköpfe• Motorenblöcke• Bremssattel• Fahrwerksteile• Karosserieteile• Felgen

• Getriebegehäuse• Zylinderköpfe• Motorenblöcke• Bremssattel• Fahrwerksteile• Karosserieteile• Felgen

schweißbare Aluminiumgussteileschweißbare Aluminiumgussteile

KorrosionsbeständigkeitKorrosionsbeständigkeit

KorrosionsbeständigkeitKorrosionsbeständigkeit

• Bleche / Folien• Karosserieteile• Fahrwerksteile• Flugzeugteile• Maschinenbau• Wärmetauscher

• Bleche / Folien• Karosserieteile• Fahrwerksteile• Flugzeugteile• Maschinenbau• Wärmetauscher




20.12.2011 Bild 32Mechanische Eigenschaften von Aluminiumlegierungen

50

40

30

20

10

00 100 200 300 400 500 600

Dehngrenze R [MPa]p0,2

AZ 31

5183

St 14

AluminiumgusslegierungAluminium-Knetlegierungen

höherfeste Stahl-Blecheweiche Stahl-Bleche

Aluminium-Bleche

6016

ZStE420

G-ALMg3Si

20162016

73496110A

Bru

chde

hnun

g[%

]




20.12.2011 Bild 33Aluminium-Spaceframe

(Quelle: AUDI AG)

Audi R8




20.12.2011 Bild 34

(Quelle: Jaguar)

Vorteile:

• Gewichtseinsparung

• 60% steifer als Vorgängermodell (Stahl)

Bauweise:

• Bleche aus hochfester Aluminiumlegierung

• Schalenbauweise

Aluminium –

Schalenbauweise Karosserie des Jaguar XJ




20.12.2011 Bild 35Leichtbaufahrwerk

Porsche Panamera

Vorderachse

Hinterachse

(Quelle: Porsche)





2.


• Formleichtbau






20.12.2011 Bild 37Mechanische Eigenschaften von Magnesiumlegierungen

50

40

30

20

10

00 100 200 300 400 500 600

AZ 31

5183

St 14

Magnesium-Druckguss

höherfeste Stahl-Blecheweiche Stahl-Bleche

Aluminium-BlecheMagnesium-Bleche

AS 41

AM 60AZ 91

AE 42 6016

ZStE420

Dehngrenze R [MPa]p0,2

Bru

chde

hnun

g[%

]




20.12.2011 Bild 38Magnesiumbauteile

(Volkswagen)

(Otto Fuchs KG)




20.12.2011 Bild 39Vergleich von Türinnenteilen

aus verschiedenen Werkstoffen

Bauteilgewicht

Stahl (St37)

100%

50%

Aluminium- Gusslegierungen

38%

Magnesium- Gusslegierungen

0

50

100

%

Türinnenteil aus Magnesium-Druckguss

(Volkswagen)

Baut

eilg

ewic

ht




20.12.2011 Bild 40Bimetall-Motorblock

Verbund von Aluminium und Magnesium

Magnesiumkörper

Alu-Insert

Gussverfahren ermöglicht Verbund von Magnesium und Aluminium

Durch dieses Verfahren werden die positiven Eigenschaften von zwei Werkstoffen verknüpft, ohne sich deren Nachteile einzuhandeln.

• Aluminium-Blöcke sind sehr belastbar, aber vergleichsweise schwer

• Magnesium ist extrem leicht, verfügt aber nicht über die nötige Dauer- festigkeit

(Bild: BMW)

Gewichtseinsparung: 10 kg (25%)




20.12.2011 Bild 41Klappdachinnenteil

aus Magnesium für einen Sportwagen

(Lausitzer Rundschau vom 26. Januar 2007)





2.


• Formleichtbau






20.12.2011 Bild 43

Metallmatrix-VerbundstoffeTeilchenverstärkung oder Faserverstärkung in Metallmatrix

Anwendung:• Automobilindustrie (Bremsen, Kolben)• Luftfahrtindustrie

Vorteile:• Erhöhung der Härte und Verschleißfestigkeit• Erhöhung des E-Moduls• Erhöhung der Zugfestigkeit• Erhöhung der Kriechfestigkeit

Metallmatrix-Verbundstoffe (MMC)

Aluminium-Kolben für Dieselmotor mit faserverstärktem Muldenrand (Aluminiumoxidfasern)




20.12.2011 Bild 44Anwendungsbeispiele von Werkstoffverbunden

Aluminiumsandwich

Aufbau eines Hylite-Verbundes und eine tiefgezogene Motorhaube aus Hylite, Corus Group

(Karmann)

Aluminiumsandwiche: vordere Schottwand, hintere SchottwandGewichtsminimierung 25%,Steifigkeitserhöhung bis zu 700% gegenüber Stahlblechteilen

Karosseriekonzept derFahrzeugstudie„Aluminium Foam Body“ (Karmann)





2.


• Formleichtbau






20.12.2011 Bild 46

Vorderwagen

Motorhaube aus:Aluminium-BlechAluminium-Druckguss

Dachrahmen aus:Aluminium-Strangpressprofilen

Dachaus Aluminium

Rückwandaus Aluminium Heckdeckel

aus Kunststoff Heckmittelstückunten aus Aluminium

Heckboden

Kotflügelaus Aluminium

Ersatzradmuldeaus Kunststoff

B-Säule innen undC-Säule innen ausAluminium-Druckguss

Seitenwand aus:Aluminium-StrangpressprofilenAluminium-BlechStahl-Blech

Frontmodul ausStahl und Aluminium

StahlAluminiumMagnesiumKunststoff

Kotflügelaus Kunststoff

Türinnenteil aus:Magnesium-DruckgussTüraußenteil aus Aluminium-Blech

(Quelle: Mercedes-Benz)

Mercedes-Benz CL –

Multimaterial-Bauweise: Aluminium, Magnesium, Kunststoff und Stahl in Kombination




20.12.2011 Bild 47VW-Projekt Super-Light-Car

Die Grafik zeigt den Materialeinsatz und die Verhältnisse der Baustoffe,mit denen die Leichtbau-Karosserie für einen Mittelklassewagen hergestellt wurde.

(Quelle: http://www.spiegel.de/fotostrecke/fotostrecke-46477-3.html, 04.10.2009)

AluminiumblechAluminiumgussAluminiumprofileStahlMagnesiumFaserverstärkter Kunststoff

Super Light Car: Gewicht 180 kg (-35 %, Δm -101 kg)

36%Stahl

53%Aluminium

4%Kunststoff

7%Magnesium





2.


• Formleichtbau






20.12.2011 Bild 49Bauteile aus strukturiertem Feinblech

Großflächiges WärmeabschirmblechHexalleuchte

WärmeabschirmblechWaschmaschinentrommel

(Softwandtrommel)(Diedrichs)

(Diedrichs) (SITECO)

(Miele)




20.12.2011 Bild 50

3-Punkt-BiegeversuchFeP04 / 0,5 - Zusammenfassung größte Biegesteifigkeiten

0 5 100

5

10

15

20

25

30

40

Stempelweg h [mm]

Stem

pelk

raft

F[N

]St

15 20 25 30 35 40 45 50

35

wölbstrukturiertWR 45°

walzstrukturiertWR 0°-neg.

kugelstrukturiertWR 90°-pos.

nicht strukturiert

Biegesteifigkeiten von Blechen




20.12.2011 Bild 51Strukturierte Bleche im Automobilbau

(Quelle: Daimler AG)

Rückwand auswölbstrukturiertemAluminiumblech





2.


• Formleichtbau






20.12.2011 Bild 53Carbon-Karosserie

Lamborghini

(Quelle: Lamborghini)




20.12.2011 Bild 54Trend zum intelligenten Werkstoff-Mix

ThyssenKrupp Trend: Leichtbau-Lösungen im Multimaterial-Design

1.100 kg

1.400 kg

1.150 kg104 kg Sonstiges58 kg Elastomere

178 kg Kunststoffe40 kg Sonstige NE-Metalle23 kg Magnesium138 kg Aluminium

610 kg Stahl/Eisen

Veränderung

-17%+6%

+19%+13%+300%+36%

-10%

1970 2000 2010

Entwicklung Gewicht / Werkstoff-Mix Mittelklasse Kfz Europa





2.


• Formleichtbau






20.12.2011 Bild 56

FügetechnikFügetechnik MontageMontage

BearbeitungBearbeitung

Fertigungsleichtbau

Nur optimierte Produktionstechnologien ermöglichen intelligenten Werkstoff-MixNur optimierte Produktionstechnologien ermöglichen intelligenten Werkstoff-Mix

Innovative Technologien zur Herstellung von LeichtbaustrukturenHydroforming, Superplastisches Umformen, Presshärten, Hybridfügeverfahren, ...

Innovative Technologien zur Herstellung von LeichtbaustrukturenHydroforming, Superplastisches Umformen, Presshärten, Hybridfügeverfahren, ...

(Quelle: nach ThyssenKrupp Automotive)

FERTIGUNGSLEICHTBAUFERTIGUNGSLEICHTBAUFERTIGUNGSLEICHTBAU




20.12.2011 Bild 57Fertigungsverfahren Innenhochdruckumformen

(Quelle: INPRO)

pi

Innenhochdruck-Umformanlage Innenhochdruck-Umformen

1. Rohling einlegen

2. Werkzeug schließen und Axialzylinder verfahren

3. Hohlkörper befüllen, Hochdruck, Axialkräfte aufbringen

(Quelle: Müller Weingarten)




20.12.2011 Bild 58Hilfsrahmen vorn


Hilfsrahmen mit unterschiedlichenGeometrien für verschiedene Motor-varianten aus einem IHU-Werkzeug:

• Grundvariante V6 in Stahl (2,2 mm)

• Grundvariante V12 in Edelstahl

• TDI-Variante mit zusätzlichen Freigängen

• Sonderschutzvariante (4 mm)




20.12.2011 Bild 59Kostensenkung durch Reduktion der Komplexität

HalbHalb--SchalenSchalenDesignDesign

Hydroform Hydroform TubularTubularDesignDesign

VorteileVorteileHydroformingHydroforming

„Funktionsintegriertes Design”

Anzahl Teile 6Fertigungsstufen 32Werkzeug 1.8 Mio €Materialeinsatz 18.0 kgFertigteil 12.0 kg

Anzahl Teile 1Fertigungsstufen 3Werkzeug 1.2 Mio €Materialeinsatz 8,5 kgFertigteil 7.9 kgBessere Biegesteifigkeit

Reduktion der EinzelteileReduktion der FertigungsschritteOptimierte Bauteileigenschaften(Biege- + Torsionssteifigkeit)Reduktion Gewicht + KostenHohe Qualität in Abmessungen





20.12.2011 Bild 60Fügeverfahren im Karosserierohbau

Widerstands-schweißen

Punkt-, Buckel-, ...

Schutzgas-schweißen

MIG, MAG, WIG, ...

Bolzen-schweißen

Laser-schweißen

Thermische Verfahren

EinpressenBolzen, Muttern,

Inserts

Falzen Clinchen NietenBlind-, Stanz-

nieten

Mechanische Verfahren

Kleben Kombinations-fügungen




20.12.2011 Bild 61Fügen von unterschiedlichen Materialien beim S-Klasse Coupé

- 90 m Strukturklebenaht- 1400 Stanznieten- 280 Clinch-Punkte

- 190 Blindnieten- 100 Widerstandsschweißpunkte

(Aluminium-Aluminium) (Quelle: Mercedes-Benz)

StahlAluminiumMagnesiumKunststoff





1.


2.


3.


4.

Zusammenfassung




20.12.2011 Bild 63Leichtbaumaßnahmen bei konventionellen Fahrzeugen

und Elektrofahrzeugen

Konventionelle Fahrzeuge(Mittelklasse)

akzeptierbare Leichtbaukosten je eingespartem Kilogramm:

5 €/kg

• Hohlstrukturen (gebaute Nockenwelle)• Aluminium (Vorderwagen, Einhängeteile,

Karosserie, Fahrwerk)• Hybride Strukturen• Multimaterialeinsatz• Alu-Space-Frame

• CFK-Außenhautteile• CFK-Karosserie

Elektrofahrzeug

akzeptierbare Leichtbaukosten je eingespartem Kilogramm:

2 - 18 €/kg *

• Aluminium (Vorderwagen, Einhängeteile, Karosserie, Fahrwerk)

• Hybride Strukturen• Multimaterialeinsatz• Alu-Space-Frame

• CFK-Außenhautteile• CFK-Karosserie• Batteriegehäuse aus Aluminium oder CFK• Integration Batteriegehäuse• Neue Fahrzeugkonzepte

* abhängig von den spezifischen Batteriesystem- kosten (300 €/kWh bis 1000 €/kWh)

Leichtbaumaßnahmen Leichtbaumaßnahmen




20.12.2011 Bild 64

Ges

amtfa

hrze

ug

Sys

tem

/ M

odul

Kom

pone

nte

Konzeptioneller Leichtbau

Konstruktiver Leichtbau

Werkstoff

Beispiele für Leichtbaumaßnahmen im Elektrofahrzeug

(Quelle: ATZ 11/2010, TITELTHEMA ELEKTROFAHRZEUGE, Seite 794, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein, Dipl.-Ing. Fabian Schmitt, Dipl.-Ing. Bastian Hartmann, ika, RWTH Aachen)

CFK-Karosserie

Aluminium-Vorderwagen

CFK-Batteriegehäuse

Alu-Space-Frame

Multimaterial-Bauweise

Aluminiumeinsatz Fahrwerk

Kunststoffscheiben

Hybride Strukturen

CFK-AußenhautteileIntegration

Batteriegehäuse

Auswahl Zellchemie

Neue Fahrzeugkonzepte

X-by-Wire




20.12.2011 Bild 65Veränderung der Massenverteilung im Elektrofahrzeug

gegenüber dem konventionellen Fahrzeug

(Quelle: ATZ 11/2010, TITELTHEMA ELEKTROFAHRZEUGE, Seite 792, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein, Dipl.-Ing. Fabian Schmitt, Dipl.-Ing. Bastian Hartmann, ika, RWTH Aachen)

23%21%

17%16%

20%

14%16% 15%

3%2%

21%

22%

10%

Karosserie Exterieur Fahrwerk Interieur Elektrik Antrieb

35%

30%

25%

20%

15%

10%

5%

0%

Ant

eil a

n Fa

hrze

ugm

asse

Batteriesystem

Konventionelles Fahrzeug

Elektro- fahrzeug




20.12.2011 Bild 66Leichtbau bei Elektrofahrzeugen

Leichtbau bei Elektrofahrzeugen• Karosserie

• Fahrwerk

• Batteriesysteme

• Antrieb




20.12.2011 Bild 67Karosseriekonzepte

KAROSSERIEKONZEPTEKAROSSERIEKONZEPTE

Selbsttragender Rahmen

Selbsttragender Rahmen

WERKSTOFFE:WERKSTOFFE:

• Stahl (höherfeste Stähle, höchstfeste Stähle, Borstähle, Edelstähle)• Aluminium• Magnesium• Kunststoff: Duroplaste, Thermoplaste, GFK, CFK• Mischbauweise

Rahmenbauweise• Leiterrahmen• Kastenrahmen• Zentralrohrrahmen

Rahmenbauweise• Leiterrahmen• Kastenrahmen• Zentralrohrrahmen

SchalenbauweiseSelbsttragende Karosserie

SchalenbauweiseSelbsttragende Karosserie

Skelettbauweise• Gitterrrohrrahmen• Space-Frame

Skelettbauweise• Gitterrrohrrahmen• Space-Frame

Mittragende Karosserie

Mittragende Karosserie




20.12.2011 Bild 68LifeDrive-Architektur

des BMW i3 Concept

• Batteriezellen sind raumoptional in den Unterboden integriert

• Elektromotor, Getriebeeinheit und Antriebs- elektronik können platzsparend über der angetriebenen Hinterachse untergebracht werden

• LifeDrive-Konzept: Drive Modul (Rahmen aus Aluminium) bildet das stabile Fundament für die Life-Zelle (Carbon)

• Rahmen aus Aluminiumprofilen schützen die Batteriezelle; davor und dahinter sorgen zwei crashaktive Strukturen für die Energie- absorption im Falle eines Front- oder Heck- aufpralls

(Quelle: BMW)




20.12.2011 Bild 69

• Fahrzeugrahmen aus Aluminium• Fahrgastzelle aus Carbon (CFK)• durch CFK-Technologie kann das Fahrzeuggewicht

gegenüber einem vergleichbaren Elektrofahrzeug um 250 bis 350 kg reduziert werden

• Gewicht 1250 kg (BMW 1er Modell 1365 bis 1440 kg)• Elektromotor mit 125 kW• Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in 7,9 s

Elektrofahrzeug BMW i3

(Foto: BMW)

(Quelle: BMW)




20.12.2011 Bild 70Fahrgastzelle in Spant-Space-Frame-Bauweise

(Quelle: DLR)

• Spant- und Space-Frame-Bauweise: Kombination von metallischen Strukturen mit CFK-Bauteilen

• Gewichtseinsparung gegenüber Vergleichsstruktur eines Mittelklassefahrzeugs 35 %

• extrem stabile, ringförmige Spantstruktur• geeignet für die Sicherheitsanforderungen

alternativer Antriebskonzepte• modularisierbar




20.12.2011 Bild 71Elektrofahrzeug MUTE der TU München

(Quelle: http://www.mute-automobile.de/design/exterior.html; © Copyright Technische Universität München (Deutschland))

• Fahrzeugklasse Microcars (2 Personen)

• Fahrgastzelle aus Aluminium

• Crashelemente aus kohle- faserverstärktem Kunststoff

• Leergewicht 500 kg

• Antriebsleistung 15 kW

• Höchstgeschwindigkeit 120 km/h




20.12.2011 Bild 72Demonstrator

Individualverkehr Fraunhofer E-Concept

Car Typ 0

(Quelle: Fraunhofer)

Ladegerät

Leistungselektronik

Crashsicheres Betriebssystem

Radnabenmotor

Energieerzeugung, -verteilung und -umsetzung:

Fahrzeugkonzepte:




20.12.2011 Bild 73Radnabenmotor

(Copyright Springer-Verlag GmbH & Co.KG, Düsseldorf, Neue Antriebskonzepte und Komponenten für Elektroautos, S. 2, F.-J. Wöstmann, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik)

Rotorglocke

Rotor mit Magneten

Leistungselektronik

Kühler Leistungselektronik

Stator und Wicklung

Lagereinheit

Statorgehäuse

Explosionsdarstellung der wesentlichen Baugruppen des Fraunhofer-Radnabenmotors




20.12.2011 Bild 74ebase

–

Das Leichtbaunetzwerk für Elektrofahrzeuge

Entwicklung einer innovativen Bodengruppe für Elektrofahrzeuge

AUFGABEN

• Fertigungs- und Konstruktionskonzepte für den begrenzten Stückzahlbereich von Elektrofahrzeugen in den nächsten Jahren

• Multimaterialsysteme für die Erreichung der Gewichts-, Steifigkeits- und Wirtschaftlichkeitsziele

• Abstimmung auf die speziellen Anforderungen der Elektrikaggregate bezüglich Crashsicherheit und Zugänglichkeit

Das Netzwerk umfasst mittelständische Automotiveunternehmen und Wirtschaftseinrichtungen:

Begleitung und nachhaltige Unterstützung der Initiative durch:

Wissenschaftliche Expertise:





1.


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3.


4.

Zusammenfassung




20.12.2011 Bild 76Zusammenfassung

Zusammenfassung:

• Neue Werkstoffe und Bauweisen ermöglichen Leichtbau im Automobilbau und tragen zur Energieeffizienz und Emissionsminderung bei

• Elektromobilität erfordert innovative Leichtbaulösungen zur Erhöhung von Energieeffizienz und Reichweitensteigerung




20.12.2011 Bild 77

Vielen Dank

für Ihre Aufmerksamkeit!

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LEICHTBAUTECHNOLOGIE IM AUTOMOBILLehrstuhl Konstruktion und Fertigung Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger V. Automobilzuliefertag „Herausforderung Elektromobilität