Leichtbau in der Automobilindustrie Kampf gegen Kilos

Inwieweit Fahrzeuge leichter werden, entscheidet sich früh in der Entwicklung. Um Bauteile leichter zu machen, setzt ZF bei der Konstruktion an, beim Material, der Produktionsmethode – oder bei allem gleichzeitig.

Weniger Gewicht bedeutet weniger Kraftstoffverbrauch und weniger Emissionen. Leichtbau durchzieht nahezu alle Entwicklungsprojekte im Konzern, vor allem diejenigen, die das Fahrwerk betreffen. Leichtbau im Pkw schont die Ressourcen und beschert beispielsweise Elektrofahrzeugen eine deutlich höhere Reichweite. Beim Lkw erlaubt ein reduziertes Eigengewicht eine höhere Zuladung. Auch gleicht der Leichtbau im Lkw das Mehrgewicht der Abgasnachbehandlungs­anlagen aus, die durch die Euro 6 Abgasnorm nötig sind.

Zwei Ingenieure, die stellvertretend für Leichtbau „made by ZF“ stehen, sind Stefan Krahn und Dr. Ignacio Lobo Casanova. Stefan Krahn ist am Standort Dielingen in der Vorentwicklung & Fahrdynamik für das Thema Leichtbau Kunststoff verantwortlich. Er denkt vom Produkt her: Wie können wir eine Pkw-Hinterachse entwickeln, die sich für den Autofahrer anfühlt wie eine aufwendige Mehrlenker-Hinterachse aus Stahl und die zugleich deutlich weniger wiegt? Dabei kommen grundsätzlich alle Leichtbaustrategien infrage: leichtere Materialien, alternative Konstruktionen einzelner Bauteile oder integrativer Leichtbau, der die Funktionen mehrerer Bauteile in einem einzigen zusammenfasst.

Stefan Krahn, Entwicklungsingenieur am Standort Dielingen, und Dr. Ignacio Lobo Casanova, Leiter des ZF Composites Tech Center in Schweinfurt, treiben bei ZF das Thema Leichtbau voran.

Die Herausforderung beim Leichtbau ist, dass sehr viele Abhängigkeiten zu berücksichtigen sind. Wer Material von geringerem Gewicht verwenden will, muss dies schon bei der Konstruktion berücksichtigen. Bei Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (FKV), die im Vergleich zu Stahl sehr viel Gewicht sparen, lassen sich viele bei Stahl gültige Konstruktionsprinzipien nicht verwenden. Doch eröffnen sich auch neue Chancen. So sind FKV in Faserrichtung biegesteif. Das lässt sichgezielt einsetzen, um die von den Ingenieuren gewünschte Elastokinematik, also die Abstimmung aller elastischen Elemente eines Fahrwerks, zu unterstützen.

An dieser Stelle kommt Dr. Ignacio Lobo Casanova ins Spiel. Für den Leiter des ZF Composites Tech Center am Standort Schweinfurt steht beim Thema Leichtbau das Material im Mittelpunkt; in seinem Fall: Faser-Kunststoff-Verbund. Eine blitzsaubere Laboratmosphäre prägt das Bild im ZF Composites Tech Center: keine Metallspäne und nichts Öliges. Stattdessen aufgerollte Kohlefaser- und Glasfasermatten, die aussehen wie Stoffballen in einem Einrichtungshaus. In der Mitte des Raumes steht eine tonnenschwere Presse, die Fasermatten unter Zugabe von flüssigem Kunststoff zu den gewünschten Bauteilen presst.

Zentrales Werkzeug im ZF Composites Tech Center ist eine 1.000-Tonnen-Presse.

„Bei FKV sind die Materialeigenschaften nicht nur anders als beim Stahl, sie hängen zudem vom jeweiligen Herstellverfahren ab“, erläutert Lobo Casanova. Durch dieses Produktionswissen unterstützen er und sein Team die Ingenieure an allen Entwicklungsstandorten weltweit, an denen FKV-Lösungen erarbeitet werden. Dabei haben die Tech-Center-Mitarbeiter nicht nur die Herstellverfahren, sondern auch deren Kosten im Blick. Derzeit sind viele der Leichtbauprodukte mit Faser-Kunststoff-Verbund noch Entwicklungsprojekte oder Konzeptstudien. Damit ZF seine Kunden von den Lösungen überzeugen kann, muss von Beginn an auf den Stückpreis geachtet werden. Lobo Casanova und sein Team verhindern also, dass Herstellverfahren in das Produkt „hineinentwickelt“ werden, die eine spätere Serienproduktion verteuern.

Dieses Bauteil einer radführenden Querblattfeder aus Glasfaser-Kunststoff-Verbund ersetzt bei der Composite Leaf Spring Axle eine Stahlkonstruktion.

Ein Produkt, das aus der Zusammenarbeit von Teams in Dielingen und Schweinfurt entstanden ist, heißt Composite Leaf Spring Axle. Bei dieser Pkw-Hinterachse ersetzt eine radführende Querblattfeder aus Glasfaser-Kunststoff-Verbund eine Stahlkonstruktion. Zwar kommt die innovative Achse nicht ganz ohne Stahlbauteile aus, das zentrale Bauteil aus Verbundwerkstoff ersetzt nun aber – Stichwort Funktionsintegration – so viele Stahlkomponenten, dass es unterm Strich zu einer deutlichen Gewichtseinsparung kommt.

Im Entwicklungsprozess, der am Ende zu diesem Produkt führt, läuft vieles gleichzeitig ab. Dabei sind zunächst Materialproben im Einsatz, die noch wenig mit dem späteren Bauteil zu tun haben. Deren Werte zu Steifigkeit und Bruchverhalten füttern aber schon einmal Simulationstools in den Rechnern in Dielingen und Friedrichshafen. Schließlich bildet ein Hochleistungsrechner den Prototyp der Querblattfeder bis ins Detail ab; viele Erprobungsschritte können virtuell erfolgen.

Erst dann widmet sich das Team in Schweinfurt einem realen Produktprototyp und dem Herstellverfahren. „Bei der Composite Leaf Spring Axle erzielen wir durch unterschiedliche Lagenaufbauten der Querblattfeder unterschiedliche Steifigkeiten“, so Lobo Casanova. Damit entstand nicht nur eine Leichtbauachse, sondern ein ganzer Baukasten. Auch die Fahreigenschaften sowie die Gewichtseinsparung können sich sehen lassen. Bei der Fahrdynamik spielt die Composite Leaf Spring Axle in der gleichen Liga wie die komplexen Mehrlenker-Hinterachsen aus Stahl. Diese sind beim Gewicht nicht mehr zu optimieren. Im Vergleich bringt die neue Achse dank FKV und neuer Konstruktion sechs Kilogramm weniger auf die Waage – eine Gewichtsersparnis von 13 Prozent. Ein ausgezeichneter Wert in einem Produktsegment, in dem sich Automobilhersteller bereits über wenige Gramm eingesparten Gewichts freuen.

Fotos: Dominik Gigler

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