Leichtbau im Automobilbau

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1 Leichtbau im Automobilbau I2b Dr. Eberhard Karbe, Koordination Leichtbau

2 Leichtbau seit über 60 Jahren Leichtbauweise bezeichnet die Summe von Maßnahmen zur Gewichtsminderung im Fahrzeugbau bei Wahrung von Verkehrssicherheit und Betriebszuverlässigkeit. Quelle: 2 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

3 Fahrzeuggewichte steigen aufgrund umfangreicher Zusatzfunktionen Zukunft: Umkehr der Gewichtsspirale E-Klasse: Gewichtszunahme seit 1948 um 180% Mehr Funktionen + Sicherheit + Komfort + Gesetzgebung + Antriebskonzepte Zukünftig: Umkehr der Gewichtsspirale für Folgebaureihen + Verbrauch/CO 2 + Agilität + Reichweite 100kg ~ 8-10 g CO 2 /km 3 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

4 Karosserie Entwicklung Intelligente Karosserien helfen CO 2 zu reduzieren Hybrid Leichtbau Das richtige Material am richtigen Platz Aerodynamik Marktführer Aerodynamik Sicherheit Sicherheit ist die vorrangige Priorität 4 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

5 Werkstoffe - Größter Leichtbaustellhebel Werkstofftechnologie 70 % Weiterentwicklung Neue Werkstoffe 70 % Stellhebel Leichtbau 20 % Bauteilentwicklung 10 % Konzeptleichtbau CAE Optimierung Produktionstechnik Neue Verfahren Verfahrenskombinationen 5 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

6 Entwicklung des Multimaterialmix im PKW Früher Heute Zukünftig Weiche Stähle Hochfeste Stähle Moderne hochfeste Stähle Ultrahochfeste Stähle Pressgehärtete Stähle FVK/CFK Aluminium 6 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

7 Die Grundidee der Multimaterialmixkarosserie das richtige Material am richtigen Ort Außenhaut Aluminiumeinsatz und FVK Sicherheitszelle Heute: Stahl Morgen: Stahl/FVK Hybrid 2020+: CFK Strukturen Vorderer/Hinterer Deformationsbereich Heute: Stahl/Aluminium Morgen: Aluminium 2020+: CFK/Aluminium Strukturen 7 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

8 Die unterschiedlichen Eigenschaften der Leichtbauwerkstoffe verlangen einen sehr zielgerichteten Einsatz Stahl Aluminium FVK Materialeigenschaften Dichte 7,8 g/cm³ Kosten ca. 1 /kg Dichte 2,7 g/cm³ Kosten ca. 3 /kg Dichte 1,5 g/cm³ Kosten ca. 25 /kg Energieaufnahme durch lokales Beulversagen Gleichzeitig Strukturintegrität vorhanden Energieaufnahme durch lokales Beulversagen Gleichzeitig Strukturintegrität vorhanden Energieaufnahme durch progressives crushing Entweder Energieaufnahme oder Strukturintegrität Spezifische Energieaufnahme 33 KJ/kg 50 KJ/kg strukturinteger < 5 KJ/kg crushing bis 250 KJ/kg Schlagzähigkeit 50 J/cm² 20 J/cm² 4 J/cm² Festigkeit MPa MPa 500*-1700** MPa 8 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC * MD Gelege, ** UD Gelege

9 Leichtbaukosten /-kg Trotz aller intelligenter Lösungen ist Werkstoffleichtbau mit deutlichen Kosten verbunden 40 > 20 /-kg CFK Zelle Aluminium Anbauteile und Dach 4-12 /-kg Aluminium Türen Stahl LB Struktur 5-15 /-kg Aluminium Dämpferbeinkonsole Aluminium Vorbau + Heckwagen 1-5 /-kg Stahl LB Struktur /-kg Aluminium Zelle Anbauteile Deformationsbereich vo/hi Sicherheitszelle 9 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

10 Entwicklung von Werkstoffen und Fügeverfahren am Beispiel SL-Klasse 10 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

11 Bei sportlichen Fahrzeugen wird der Leichtbau auch in der Struktur mit Aluminium umgesetzt SL-Klasse SL-Klasse SL-Class 17% 8% 44% 28% Weltpremiere im Januar 2012 Auslieferung im März 2012 Anbauteile aus Aluminium und FVK Gewichtsvorteil von ca. 110 Kg gegenüber konv. Stahlbauweise Aluminiumguss Aluminiumblech Andere Stahl Aluminiumprofile 3% 11 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

12 Leichtbau Guß-Blech-Profilbauweise Materialmix innerhalb einer Werkstoffgruppe Al Guß zur Teileintegration Al Profile bei geraden Strukturen Al Bleche bei flächigen 3D Strukturen Stahl für höchste Crashanforderungen Gewichtseinsparung: ca. 110 kg vs. Vorgänger (Stahl) Bild: Karosserie Mercedes SL (Modell 2012) 12 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

13 Das Aluminium Rohbaukonzept des neuen SL ist trotz höherem Energiebedarf bei der Herstellung nachhaltig! Betrachtung Aluminium Rohbaukonzept SL: -15% CO 2 Emissionen mit Alu Rohbaukonzept Höherer Energiebedarf bei der Herstellung Gewichtsreduktion ist dominierend Sekundäraluminium wichtigster Stellhebel Quelle: Daimler Broschüre LifeCycle, Umweltzertifikat SL, I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

14 Leichtbau mit CFK Eigenschaften St Al CFK* (anisotrop) Dichte [g/cm³] 7,8 2,7 1,5 E-Modul [GPa] bis 600 Festigkeit [MPa] bis 1500 bis 600 bis 2000 Status Daimler AG: Carbon Karosserie McLaren SLR 2003 Joint Venture Daimler/Torray 2010 Erste Grosserienanwendung ab 2012 Technologieentwicklung Focus Kosten E. absorbtion [kj/kg] ca. 30 ca. 50 bis ca. 250 * Kennwerte werden durch Faser, Harz und Faserorientierung definiert Stahl Aluminium CFK Metallstrukturen absorbieren Energie durch Deformation CFK verliert bei maximaler Energieaufnahme Strukturintegrität Leichtbaupotential CFK vs. Aluminium beträgt ca. 20% 14 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

15 Zukünftige Fahrzeuggeneration Der Leichtbau Rohbau des F125! setzt neue Maßstäbe Markteinführung in kleinen Stückzahl noch vor 2020, Produktion hoher Stückzahlen in Highlights CFK Bauweise Metall/FVK Hybride FVK Sandwich Karosserieintegrierte Energiespeicher CFK-Bauweise Metall/FVK-Bauweise FVK-Sandwich FVK/CFK-Bauweise Gewicht 250 Kg 15 I2b Leichtbau Dr. Karbe PSQ/IC

16 16 USA-BR205-Reise Dr. Karbe PSQ/IC