Wie Fertigungsprozesse den automobilen Leichtbau ermöglichen

Leichtgewichtige Fahrzeuge sind entscheidend, um den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zu senken und die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen. Eine Verringerung des Fahrzeuggewichts um 10% kann den Kraftstoffverbrauch um 6-8% senken und die Kohlendioxidemissionen verringern. ^[1]. Die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bedeutet auch eine Verringerung der Emissionen, was der ökologischen Nachhaltigkeit zugute kommt.

Abgesehen vom geringeren Kraftstoffverbrauch und der größeren Reichweite kann die Leichtbauweise die Leistung eines Fahrzeugs, einschließlich Bremsen, Handling und Beschleunigung, erheblich verbessern. Außerdem werden durch die Leichtbauweise die Aufhängung, die Bremsen und die Reifen weniger belastet, was den Verschleiß verringert. Langfristig gesehen halten diese Teile länger und müssen seltener gewartet werden.

Wie können die Hersteller also Automobilteile leichter machen? Kann dies erreicht werden, indem man einfach die herkömmlichen Werkstoffe durch leichte Alternativen ersetzt, oder erfordert dieses Ziel ein Umdenken bei der Konstruktion von Automobilteilen?

Entlarvung des “Einsteiger-Mythos” im Leichtbau

Es gibt viele Irrtümer im Zusammenhang mit der Herstellung leichter Automobilteile. Eine Lehrmeinung besagt, dass Leichtbau durch die Wahl des Materials erreicht werden kann. Mit anderen Worten: Ein Auto kann leichter werden, indem man einfach auf leichtere Materialien umsteigt.

Aufgrund dieses Missverständnisses betrachten sie Fertigungsprozesse wie Automobil-Spritzgießen, Werkzeugeund CNC-Bearbeitung die Rolle von “Arbeitern”, die einem vorgegebenen Plan folgen. Die zweite Denkschule besagt, dass die Verwendung leichterer Materialien die Sicherheit beeinträchtigt. Keine der beiden Denkschulen über den Leichtbau von Fahrzeugen ist richtig.

Es hat sich gezeigt, dass moderne Verbundwerkstoffe eine bessere Crash-Sicherheit bieten ^[2]. Sie absorbieren Aufprallenergie effektiver als die in herkömmlichen Fahrzeugen verwendeten Metalle.

Leichtbau in der Automobilindustrie durch Spritzgießen

Zweifelsohne spielt die Wahl des Materials eine wichtige Rolle beim Leichtbau. Optimale Festigkeit und Form lassen sich jedoch fast gänzlich ohne Gewichtszunahme durch Konstruktionsoptimierung und innovative Fertigungsverfahren wie folgt erreichen:

1. Aushöhlung von Abschnitten zur Senkung des Materialverbrauchs

Sperrige Teile können so gestaltet werden, dass sie innen hohl sind. Dieser Hohlraum wird in der Regel erreicht durch gasunterstütztes Spritzgießen oder Schäumen. Beim physikalischen Schäumen wird zum Beispiel Stickstoff oder Kohlendioxid in den geschmolzenen Kunststoff eingespritzt. Das Gas bewirkt die Ausdehnung des geschmolzenen Kunststoffs in der Form. Der geschmolzene Kunststoff schließt die Gasblasen ein, wodurch eine innere Struktur entsteht, die porös ist und einem Schaum ähnelt.

Häufig wird auch chemisches Schäumen verwendet, bei dem dem Harz ein chemisches Treibmittel (CBA) wie Azodicarbonamid (ADC) und Natriumbicarbonat oder Zitronensäure zugesetzt wird. Beim Erhitzen zersetzt sich das CBA und setzt Gas frei, um den gleichen Effekt wie beim physikalischen Schäumen zu erzielen. Beim Aufschäumen entsteht eine feste Außenhaut und ein schaumartiger Kern. Dies senkt den Materialverbrauch und trägt dazu bei, dass das Produkt leicht bleibt, ohne die Formstabilität zu beeinträchtigen.

2. Verwendung von Rippen zur Ergänzung dünnwandiger Strukturen

Ein weiteres wichtiges Verfahren im Automobilleichtbau ist der Einsatz fortschrittlicher Fertigungstechniken (wie Dünnwandspritzguss und Vakuumformung) zur Herstellung von Teilen mit dünneren Wänden (<1 mm Dicke), wobei die strukturelle Integrität des Teils erhalten bleibt.

Bei dieser Spritzgusstechnik werden hoher Druck, hohe Geschwindigkeiten (>1000 mm/s) und fortschrittliche Maschinen eingesetzt, um eine ordnungsgemäße Füllung der dünnen Hohlräume zu gewährleisten. Dünne Wände werden in der Regel unterstützt durch Rippen und Zwickel um Steifigkeit und Festigkeit zu gewährleisten, wo diese Eigenschaften erforderlich sind. Rippen können auch Defekte verhindern wie Einfallstellen.

3. Konsolidierung von mehreren Teilen

Wenn ein Kfz-Teil aus mehreren Komponenten besteht, muss jede der verschiedenen Komponenten zusammengeschweißt oder befestigt werden. Das Schweiß- oder Befestigungsmittel erhöht schließlich das Gewicht des fertigen Teils. Bei der Leichtbauweise werden zu komplexe Teile so umgestaltet, dass sie leichter in einem einzigen Spritzgussverfahren hergestellt werden können.

Durch die Konsolidierung mehrerer Teile zu einer einzigen geformten Einheit entfällt der Bedarf an sekundären Befestigungselementen wie Nieten und Bolzen, wodurch das Gewicht des Teils reduziert wird. Die Formen für die Herstellung von Schnapphaken-Designs die bei der Montage keine zusätzlichen Befestigungsmittel erfordern, müssen möglicherweise zusätzlich Heber oder Schieberegler, was ihre Kosten potenziell erhöhen wird. Weitere Vorteile der Teilekonsolidierung für den Leichtbau in der Automobilindustrie sind:

• Die Herstellung von Strukturen aus einem einzigen durchgehenden Teil hat in der Regel eine höhere strukturelle Integrität als die Herstellung aus mehreren zusammengesetzten Teilen, die an den Verbindungsstellen Schwachstellen aufweisen können.
• Die Konsolidierung ermöglicht es den Herstellern, mehr Teile mit weniger Arbeitsaufwand und zu geringeren Kosten herzustellen.

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Automobil-Leichtbau mit CNC-Bearbeitung

Die computergesteuerte Bearbeitung (Computer Numerical Control Machining, CNC Machining) ist eine der gängigen subtraktiven Fertigungsmethoden. Bei diesem Fertigungsverfahren steuert eine vorprogrammierte Software eine Werkzeugmaschine, um einen Materialblock (Holz, Kunststoff oder Metall) präzise in ein gewünschtes Teil oder Produkt zu schneiden.

Die hohe Präzision des Bearbeitungswerkzeugs macht diese Technik für die Erstellung komplexer Designs nützlich. Außerdem schließt der hohe Automatisierungsgrad menschliche Fehler und Eingriffe aus, was den Herstellern helfen kann, Arbeitskosten zu sparen. Zu den gängigen Leichtbaukomponenten für die Automobilindustrie, die mit dieser Technik hergestellt werden, gehören:

• Komponenten und Kühlsysteme für Elektromotoren
• Fahrwerk und Aufhängungen, einschließlich Querlenker und Halterungen
• Teile des Motors, einschließlich Motorblock, Kolben, Zylinderköpfe und Kurbelwellen

Einer der Gründe, warum die CNC-Bearbeitung für die Leichtbauweise so wichtig ist, liegt in der Vielseitigkeit der Materialien. Sie kann für die Herstellung von Teilen aus verschiedenen Materialien verwendet werden, darunter Aluminium, Kohlefaser, Titanlegierungen, Magnesium und andere spezielle Kunststoffe. Diese Materialien werden häufig aufgrund ihres Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht ausgewählt.

Bei der Entwicklung optimierter Leichtbaukomponenten ist eine hohe Maßgenauigkeit unerlässlich. Ungenauigkeiten bei den Abmessungen können die Leistung, Funktionalität oder strukturelle Integrität des Produkts oder Teils beeinträchtigen. Mit der modernen mehrachsigen CNC-Bearbeitung, z. B. mit 5-Achsen-Maschinen, lassen sich komplexe mehrdimensionale Teile herstellen. Zu den fortschrittlichen Leichtbaukonstruktionsänderungen, die durch CNC-Bearbeitung erreicht werden können, gehören:

• Komplexe Hohl- oder Innenkanäle: Bei der Konstruktion von Hohlprofilen von Kraftfahrzeugteilen wie Motorkomponenten und Kühlblechen wird die CNC-Bearbeitung eingesetzt, um Materialien aus den inneren Komponenten so präzise zu entfernen, wie es manuell praktisch nicht möglich ist. Bei der Herstellung von Leichtbauteilen für Kraftfahrzeuge kann diese Technik eingesetzt werden, um Bereiche auszuhöhlen, in denen keine Festigkeit erforderlich ist, und so das Gewicht des Teils zu verringern.
• Herstellung von Teilen mit engen Toleranzen: Mit der CNC-Bearbeitung kann ein extremes Maß an Präzision (etwa ±0,01 mm), Genauigkeit und Konsistenz erreicht werden. Dieses erhöhte Maß an Präzision gewährleistet, dass jedes Teil perfekt passt, was die Sicherheit durch die Verwendung der geringstmöglichen Materialstärke erhöhen kann.

Die hohe Präzision der CNC-Bearbeitung optimiert die Produktion in einer Weise, die den Materialabfall im Vergleich zu anderen traditionellen Methoden reduziert. Dies ist besonders nützlich für den Leichtbau in der Automobilindustrie, bei dem hochleistungsfähige und teure Materialien verwendet werden.

Automobiler Leichtbau durch hybride Fertigung

Hybridfertigung ist ein Begriff, der die Kombination verschiedener Fertigungstechniken zur Herstellung leichter Teile beschreibt. Zum Beispiel wird die CNC-Bearbeitung (ein subtraktives Fertigungsverfahren) gepaart mit 3D-Druck (ein additives Fertigungsverfahren) zur Herstellung komplexer, leichter Teile mit engen Toleranzen, die mit einem der beiden Verfahren nur schwer zu erreichen wären.

Hybride Fertigung mit 3D-Druck und CNC-Bearbeitung

Bei der hybriden Fertigung werden die sich ergänzenden Stärken der einzelnen Techniken in Bezug auf Materialeffizienz, Design und Endbearbeitung genutzt. Eine gängige hybride Leichtbauweise kombiniert die Stärken von 3D-Druck und CNC-Bearbeitung.

Mit dem 3D-Druck lassen sich hochkomplexe Innengeometrien wie Hohlkanäle oder Gitter herstellen. Die hybride Fertigung eröffnet ein Maß an Designfreiheit, das von anderen Verfahren nicht erreicht wird. Die größte Stärke dieses additiven Fertigungsverfahrens liegt in der Herstellung solcher komplexer Innengeometrien ohne Beeinträchtigung der strukturellen Integrität. Allerdings ist es bei der Toleranz und der Endbearbeitung nicht so gut.

Daher wird nach dem 3D-Druck des Hohlkörpers aus einem leichten Material in der Nachbearbeitung eine CNC-Bearbeitung vorgenommen, um die gewünschte Toleranz und extreme Präzision (±0,002 mm) in der Innenstruktur und eine glatte Oberflächenbeschaffenheit auf der Außenseite (Ra0,4μm). Weitere Vorteile des hybriden Leichtbauverfahrens mit 3D-Druck und CNC-Bearbeitung sind:

• Stärkere Reduzierung des Materialabfalls: Mit Hilfe des 3D-Drucks wird zunächst die Hohlform erstellt, und bei der CNC-Bearbeitung muss nur ein Minimum an Material entfernt werden, was Abfall und Kosten reduziert.
• Schnellere Produktionszyklen: Da 3D-Druck und CNC-Bearbeitung automatisiert werden können, entfällt durch die Kombination beider Verfahren die manuelle Bewegung von Teilen, die den Fertigungsprozess verlangsamen kann.
• Rationalisierung des Produktionsprozesses: Eine integrierte Software verwaltet beide Prozesse und hilft so, Ineffizienzen und Fehler zu vermeiden.

Hybride Leichtbauweise mit 3D-Druck und Spritzgießen

Der 3D-Druck wird häufig mit dem Spritzgussverfahren kombiniert, insbesondere beim Voxelfill-Verfahren ^[3]. Das Verfahren wurde von AIM3D entwickelt und patentiert. Das Voxelfill-Verfahren nutzt einen zweistufigen Herstellungsprozess, um die mit der Z-Achse verbundenen Schwächen von schichtweise gedruckten 3D-Teilen wie folgt zu überwinden:

• Der erste Schritt ist die Erstellung der Gitterstruktur mittels 3D-Druck: Die Struktur, die einer Wabe ähnelt, wird mit einem Extrusionsmodellierungssystem für Verbundwerkstoffe 3D-gedruckt.
• Der zweite Schritt ist die Füllung des Gitters oder Voxel-Füllung: Mit einem Extruder wird thermoplastisches Material in die inneren Hohlräume des Gitters gespritzt. Das Füllmaterial kann aus Schaumstoff bestehen und soll die Steifigkeit und Festigkeit erhöhen, ohne das Gewicht zu erhöhen.

Die Zukunft der Leichtbauweise liegt im Multi-Material-Design (MMD). Anstelle einer pauschalen Substitution von Material wird bei MMD das beste Material für eine bestimmte Anforderung strategisch an der richtigen Stelle eingesetzt. So kann beispielsweise hochfester Stahl in Bereichen eingesetzt werden, die eine hohe Crashsicherheit erfordern, während Aluminium in Außenverkleidungen verwendet wird, bei denen die Gewichtsreduzierung im Vordergrund steht.

Referenzen

[1] U.S. Department of Energy. (n.d.). Leichte Materialien für Pkw und Lkw. Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien.https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials-cars-and-trucks

[2] Universität von Tennessee Knoxville. (2023, 27. Februar). Doktorand testet Crash-Tauglichkeit von Verbundwerkstoffen in noch nie dagewesener Tiefe. Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen. https://cee.utk.edu/phd-student-tests-composite-crashworthiness-in-unprecedented-depth/

[3] Engineering.com. (2022, 24. Oktober). Was ist das Voxelfill-Verfahren? Technik.com. https://www.engineering.com/what-is-the-voxelfill-process/