EPM Dr. Johannes Staeves DER BMW LEICHTBAUANSATZ FÜR DIE MOBILITÄT DER ZUKUNFT.

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1 EPM Dr. Johannes Staeves DER BMW LEICHTBAUANSATZ FÜR DIE MOBILITÄT DER ZUKUNFT.

2 DER BMW LEICHTBAUANSATZ FÜR DIE MOBILITÄT DER ZUKUNFT. Globale Trends in der Automobilindustrie Weiterentwicklung und Optimierung von bekannten Werkstoffen Nutzung aktueller Entwicklungspotenziale Die Bedeutung neuer Faserverbundwerktoffe am Beispiel CFK Erweiterung des Werkstoffportfolios Hybridbauweisen Erschließung neuer Bauweisen und Werkstoffeigenschaften Zusammenfassung BMW Group, Dr. Johannes Staeves, EPM, Oerlikon Balzers Page 2

3 GLOBALE TRENDS IN DER AUTOMOBILINDUSTRIE. Umwelt Klimawandel und die Folgeschäden Urbanisierung Bis 2030 werden mehr als 60 % der Weltbevölkerung in Städten leben Politik CO2 Besteuerung, Flottengesetzgebung, Einfahrbeschränkungen Treiber für: Nachhaltigkeit, E-Mobilität, Leichtbau Wirtschaft Ressourcenknappheit, Preisanstieg fossiler Kraftstoffe Kultur Nachhaltige Mobilität als Element eines modernen, urbanen Lebensstils, Übernhme sozialer Verantwortung. Kundenwünsche Veränderung der Wertvorstellung Seite 3

4 GLOBALE TRENDS IN DER AUTOMOBILINDUSTRIE. STRATEGIE FÜR MEHR EFFIZIENZ UND DYNAMIK. EFFICIENT DYNAMICS Optimierung Hybrid Electric Hydrogen Weiterentwicklung von Benzin- und Dieselmotoren und Innovationen für noch bessere Verbrauchswerte. Intelligente Verbindung aus Elektro- und Verbrennungsmotor. Rein elektrisches Fahren und PlugIn- Hybridtechnologie. Fahren mit Wasserstoff Seite 4

5 Quelle: S-Kurven nach C. Marchetti; Beispiele nach F. Malik - Gezeiten der Großen Transformation 21, m.om.-letter 08/10 GLOBALE TRENDS IN DER AUTOMOBILINDUSTRIE. JEDE TECHNOLOGIE WIRD ERSETZT. Basis für den Erfolg von morgen Strategisch kritischer Bereich Basis für den Erfolg von heute Technische Reife Zeit Wettbewerbsvorteil für alte Technologie Substitution Wettbewerbsvorteil für neue Technologie Produkt Lichtempfindlichkeit Speicherplatz, Chipqualität Prozess Filmentwicklung Beispiel: Digitale Fotografie Direct printing, digital devices

6 GLOBALE TRENDS IN DER AUTOMOBILINDUSTRIE. EVOLUTION ODER REVOLUTION. Revolution? Evolution? Technische Reife Zeit Wettbewerbsvorteil für alte Technologie Substitution Wettbewerbsvorteil für neue Technologie Ich glaube an das Pferd. Das Automobil ist eine vorübergehende Erscheinung [Kaiser Wilhelm II. ~ 1900] Das Auto ist jetzt vollkommen. Es bedarf keiner Verbesserung mehr. [Allgemeine Automobil-Zeitung 1921] 640K is Enough For Anyone. [angeblich: Bill Gates 1981] "Nuclear powered vacuum cleaners will probably be a reality within 10 years." [Alex Lewyt, President of the Lewyt Vacuum Cleaner Company]

7 GLOBALE TRENDS IN DER AUTOMOBILINDUSTRIE. HERAUSFORDERUNGEN FÜR LEICHTBAUWERKSTOFFE. Globale Verfügbarkeit Sorten, Qualität, Kosten Nachhaltigkeit CO2 footprint, Wirtschaftlichkeit, soziale Verantwortung Materialgesetze End-of-Life Vehicle Directive, REACH Herausforderungen für Leichtbauwerkstoffe Optimierung von Werkstoffen Formbarkeit, Festigkeit Integration neuer Werkstoffe Kohlefaser Entwicklung hybrider Systeme Der richtige Werkstoff an der richtigen Stelle

8 DER BMW LEICHTBAUANSATZ FÜR DIE MOBILITÄT DER ZUKUNFT. Globale Trends in der Automobilindustrie Weiterentwicklung und Optimierung von bekannten Werkstoffen Nutzung aktueller Entwicklungspotenziale Die Bedeutung neuer Faserverbundwerktoffe am Beispiel CFK Erweiterung des Werkstoffportfolios Hybridbauweisen Erschließung neuer Bauweisen und Werkstoffeigenschaften Zusammenfassung BMW Group, Dr. Johannes Staeves, EPM, Oerlikon Balzers Page 8

9 WEITERENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG VON BEKANNTEN WERKSTOFFEN. Salzgitter Voest Thyssen TU Chemnitz Page 9 Amag

10 WEITERENTWICKLUNG UND OPTIMIERUNG. DER BEDARF AN LEICHTBAU ERMÖGLICHT Z.B. AUS KOSTENGRÜNDEN BISHER NICHT GENUTZTE LÖSUNGEN. Warmumformung Stahl Warmumformung Aluminium Quelle: Benteler Alu/Alu und Alu/Stahl- Tailored Blanks Magnesiumblech Aluminiumbleche für Türen und Klappen Tailored Solutions Integralbauweise mit Aluminiumguss Integralbauweise mit Magnesiumguss Page 10

11 KEIN WERKSTOFF ERFÜLLT ALLE ANFORDERUNGEN AN MODERNE AUTOMOBILWERKSTOFFE. Stahl Aluminium Magnesium CFK duktil hochfest WU Knetleg. Guss Knetleg. Guss unidir. quasiiso. Spezifische Festigkeit Spez. Steifigkeit (Zug / Druck) Beulen, Knicken, Biegen ab ca. 700MPa > Al Über Faktor 10 zu duktil Duktilität (Crash) A bis über 40% Potenzial TWIP 60%? Formgebung / Integralbauweise Materialkosten und Verfügbarkeit Ziel Materialkosten -50%, Prozesskosten -90% Kriech- und Temperaturbeständigkeit Komplexe Crashrelevante BT Klappen Türen, Integral- Karosserie Säulen Innenraum Innenraum Struktur Geometrie Bauteile Struktur Fahrwerk Träger, Lenker Träger Knoten Vorteile Antrieb Wellen Gehäuse Gehäuse Optimierbar? Einschränkungen Seite 11

12 DER BMW LEICHTBAUANSATZ FÜR DIE MOBILITÄT DER ZUKUNFT. Globale Trends in der Automobilindustrie Weiterentwicklung und Optimierung von bekannten Werkstoffen Nutzung aktueller Entwicklungspotenziale Die Bedeutung neuer Faserverbundwerktoffe am Beispiel CFK Erweiterung des Werkstoffportfolios Hybridbauweisen Erschließung neuer Bauweisen und Werkstoffeigenschaften Zusammenfassung BMW Group, Dr. Johannes Staeves, EPM, Oerlikon Balzers Page 12

13 Gewicht DIE BEDEUTUNG NEUER WERKSTOFFE AM BEISPIEL CFK. DER AUFWAND FÜR DIE CONVERSION UND DAS SYSTEMBEDINGTE MEHRGEWICHT FÜHREN ZU EINEM DEUTLICHEN GEWICHSTSANSTIEG. MINI E MINI Cooper Aufwand für Conversion Systembedingtes Mehrgewicht des elektrischen Antriebs

14 Gewicht DIE BEDEUTUNG NEUER WERKSTOFFE AM BEISPIEL CFK. DAS LIFE DRIVE CONCEPT MIT ALUMINIUM CHASSIS UND KOHLEFASER- KAROSSERIESTRUKTUR KEHREN DIE GWEICHTSSPIRALE UM. Kein Aufwand für Conversion Vergleichbares Fahrzeug mit Verbrennungsmotor Systembedingtes Mehrgewicht des elektrischen Antriebs Leichtbau-Ansatz: LifeDrive Concept mit Aluminium und CFK kompensiert das Mehrgewicht des elektrischen Antreibs Elektrofahrzeug MCV

15 DIE BEDEUTUNG NEUER WERKSTOFFE AM BEISPIEL CFK. DIE ANFORDERUNGEN DER AUTOMOBILPRODUKTION ERFORDERN NEUE KOHLAFASERWERKSTOFFE. 3K Fibers Woven fabric (Exterieur) 50K Fibers Braiding and non-woven fabric (Structure)

16 DIE BEDEUTUNG NEUER WERKSTOFFE AM BEISPIEL CFK. PRODUKTION DER KOHLEFASER-GELEGE. Wackersdorf, Deutschland

17 CFK IN DER AUTOMOBILINDUSTRIE ERFORDERT NEUE FERTIGUNGSVERFAHREN. Seite 17

18 BMW BMW Joint Venture SGL ACF DIE BEDEUTUNG NEUER WERKTOFFE AM BEISPIEL CFK. ZUGRIFF AUF DIE VOLLSTÄNDIGE PROZESSKETTE. Faser Precursor (PAN, Spule) Oxidation Karbonisierung Oberflächenbehandlung Haftvermittler Textil Faser (Spule) Recycling(Vlies) Trockene Faser Gelege (Rollenware) Preform Stackherstellung (Lagenaufbau des Bauteils) Preformen(Umformen) Preformbeschnitt (Stanzen im Wkzg.) Bauteil (RTM- Prozess) Konfektionieren (mehrerer Einzelpreforms) Harzinjektion RTM Bearbeitung (CNC/Wasserstrahl) Karosseriebau, Montage Fügen Karosseriebau Montage Auslieferung Moses Lake, USA Wackersdorf, Germany Landshut/Leipzig, Germany Leipzig, Germany Seite 18

19 DER BMW LEICHTBAUANSATZ FÜR DIE MOBILITÄT DER ZUKUNFT. Globale Trends in der Automobilindustrie Weiterentwicklung und Optimierung von bekannten Werkstoffen Nutzung aktueller Entwicklungspotenziale Die Bedeutung neuer Faserverbundwerktoffe am Beispiel CFK Erweiterung des Werkstoffportfolios Hybridbauweisen Erschließung neuer Bauweisen und Werkstoffeigenschaften Zusammenfassung BMW Group, Dr. Johannes Staeves, EPM, Oerlikon Balzers Page 19

20 Sp ec ific Stren gth Sp ec ific Stiff ness (Tesion / C o m p ressio n) Bu c kling, Ben ding, F olding D u ctility (Cra sh) F o rm ability / I ntegra l Construction M a terial Costs and Availabil ity C reep a nd T empera -ture resi stance Festigkeit von AlMg6 d u k t i l e A a b o ve 40% Korrosionsbeständigkeit AlMg1 Steel H S S a b o ve 700M Pa > Al Po ten tially T WI P 60%? U H S S F a ktor 10 Bo d y C o m p lex Geo metry C ra sh Pi l la rs D o o rs, Bonn ets I n teg ral Components I n terior I n terior Bo d y Structu re C h a ssis Su sp ension BM W G ro u p, Dr. Joh annes Staeves, G ALM, Bea m s, Wi sh b o nes sh a f ts F o r g i n g Bea m s Al u m inium C a s t C o n n ections C ra n kcase F o r g i n g M a g n esium C a s t C ra n kcase U n i d i r e c t. C a rb on Fiber Comp. C o sts Target Materia l -50%, Cost Ta rget Process -90% I s o t r o p i c Bo d y Structu re Ad va n tage C h a nce for O ptimisa tion? Restrictions Sei te 20 HYBRIDBAUWEISEN. DIE KOMBINATION NEUER WERKSTOFFE ERSCHLIEßT NEUE WERKSTOFFEIGENSCHAFTEN. Aluminium- Aluminium- Sandwich Stahl- Aluminiumkabel 1+1=3! Quelle Novelis Aluminium- Silizium (Alusil) Quelle Univ. Karlsruhe Aluminiumrad Mit Vermikulitkern Kohlefaser mit Kupfer Festigkeit von Kohlefaser Aluminium Kohlefaserverstärkt Krichbeständigkeit und Schweißbarkeit? Quelle Fraunhofer IFAM Seite 20

21 HYBRIDBAUWEISEN KÖNNEN VOM WERKSTOFF- BIS ZUM FAHRZEUGKONZEPT ANGEWENDET WERDEN. Hybrid: aus Verschiedenartigem zusammengesetzt, von zweierlei Herkunft; gemischt. Hybridbauweise: Dabei wird anwendungsspezifisch versucht, die unterschiedlichen Vorteile der einzelnen Werkstoffe im Endwerkstoff zu kombinieren und die Nachteile auszuschließen. Werkstoff Hybrid Construction Material-Mix Multi Material Design Halbzeug Bauteil Komponente Modul Fahrzeug- Konzept Verbund-Glas Novelis Fusion Aluminium- Magnesium Kurbelgehäuse Gebaute Nockenwelle Aluminium- Vorderbau Live-Drive Konzept Beschichtungen Gefüge, Faser- Matrix-System Sandwich Hybrid- Bremsscheibe

22 HYBRIDBAUWEISEN ERFORDERN DAS LÖSEN VON BEREICHSÜBERGREIFENDEN ZIELKONFLIKTEN. Steigende Kundenanforderungen Gesetzliche Anforderungen Derivate- und Plattform-Strategien Konstruktion Hybridbauweisen Wirkprinzipien Werkstoff Fertigungsgerechte Werkstoffe Fertigung Weltweite Verfügbarkeit Weltweite Normen Nachhaltigkeit Mehrere Lieferanten / Wettbewerb Werkstoffgerechte Fertigung Globale Fertigung Nachhaltigkeit Nutzung bestehender Strukturen Standardisierung von Prozessen Seite 22

23 HYBRIDBAUWEISEN. FUNKTIONSTRENNUNG ERMÖGLICH DEN RICHTIGEN WERKSTOFF AM RICHTIGEN ORT. vor geschmiedet Guss (solid) chill castings 4375 g Ein Werkstoff Integralbauweise 1993 Gesinterte Nocken, gelötet 2533 g Funktionstrennung Differenzialbauweise 2000 Hohlguss Auslass 2160 g, Einlass 2004 g Funktionsintegration Integralbauweise 2004 Hydroforming 1351g Funktionstrennung Differenzialbauweise

24 HYBRIDBAUWEISEN. DIE FÜGETECHNOLOGIE IST EIN WESENTLICHER ENABLER FÜR KOMPLEXE HYBRIDBAUWEISEN. BMW 3er Stahl Schalenbauweise Rolls Royce Aluminium Spaceframe Keine Stahl-Aluminium- Schnittstelle 5er (Vorgänger) Aluminium-Vorderbau Schalenbauweise+Guss+Profile Eine Stahl-Aluminium- Schnittstelle BMW X5, BMW 7er, BMW 5er Stahl-Aluminium-Mischbau Schalenbauweise+Guss+Profile +Stahl-Warmumformung Mehrere Stahl-Aluminium- Schnittstellen Seite 24

25 HYBRIDBAUWEISEN. ALUMINIUM UND CFK. BMW i3 Concept BMW i8 Concept Eine Aluminium-Stahl-Schnittstelle? Seite 25

26 DER BMW LEICHTBAUANSATZ FÜR DIE MOBILITÄT DER ZUKUNFT. ZUSAMMENFASSUNG. Fahrdynamik, Eektromobilität und Nachhaltigkeit führen zu einem starken Wettbewerb im Leichtbau. Leichtbaumassnahmen, die bisher z.b. aus Kostengründen nicht genutzt wurden, werden zunehmend relevant. Keiner der heute verfügbaren Werkstoffe erfüllt alleine alle Anforderungen an moderne Automobilwerkstoffe. CFK erweitert das Werkstoffportfolio. Zusätzlich zur Optimierung bestehender Werkstoffsysteme und zur Werkstoffsubstitution wird die Nutzung des Potenzials hybrider Werkstoffsysteme und Bauweisen erforderlich. Wettbewerb der Werkstoffe und gleichzeitig Kooperation der Werkstoffe Die Integration neuer Werkstoffe erfordert fundierte Kenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Anforderungen, Funktionen, Wirkprinzipien, Werkstoffeingenschaften, Fertigungsprozessen, Skalierbarkeit, Kosten, Produktportfolio und Produktionsvolumen. Größere Schritte im Leichtbau erfodern enge Zusammenarbeit über die gesamte Lieferkette. Page 26

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