Eine interessante Aufgabe für Christoph Lucas-Melcher vom Center of Competence (CoC) Gesamtfahrzeug der M Plan in Bissendorf bei Osnabrück, denn der heute 47-Jährige hatte schon bei Karmann Leichtbaukompetenz mit aufgebaut. Und so machte sich der Leiter des Technischen Büros mit seinem Team umgehend an die Arbeit: "Dabei waren eine Reihe von Vorgaben zu berücksichtigen. So sollte u. a. der Werkstoff Aluminium eingesetzt und der Anteil von warmumgeformten Stählen maximiert werden. Außer- dem galt es, hochfeste Stähle mit einem größtmöglichen Anteil einzuplanen und Fertigungsleichtbau zu berücksichtigen." In puncto Wirtschaftlichkeit durften, bis auf wenige Ausnahmen, Mehrkosten von 5 Euro pro Kilogramm Material nicht überschritten werden. 

"Bei den genannten Kriterien", so Christoph Lucas-Melcher, "war es von vornherein klar, dass der Fokus auf Multi-Material-Design, d. h. der Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe in einer Karosseriestruktur, liegen würde: Ein Konzept, das vor allem intelligente Fügetechniken erfordert." Eine weitere Vorgabe lautete, bestehende Rohbaukonzepte für die Großserie zu übernehmen und die Reihenfolge der Aufbaustufen beizubehalten. Die Lösung musste sich also in bestehende Rohbaustrukturen integrieren lassen. 

Großserienfahrzeug zerlegt

Der gebürtige Osnabrücker und sein Team nahmen materialseitig zunächst eine Ist-Analyse vor und zerlegten dazu ein typisches Großserienfahrzeug in seine Bestandteile. Dabei stellten sie fest, dass die Karosserie anteilsmäßig aus folgenden Werkstoffen besteht:

• 65 % mikrolegierte Stähle
• 16 %  weichere Stähle (speziell im Außenhaut-Bereich)
• 13 %  hochfeste Stähle
• 5 % Warmumformstähle
• 1 % Aluminium

"Danach", so Christoph Lucas-Melcher, "sind wir der eigentlichen Frage nachgegangen: nämlich wie mehr Leichtbau-Potentiale zu erschließen sind." Als Ergebnis ihrer umfangreichen Untersuchungen konnte der Anteil der Leichtbauwerkstoffe von vorher 1 % auf 28 % ausgeweitet werden. "Möglich wurde dies, weil wir neben Aluminiumblechen, Aluminiumprofilen und Aluminiumguss auch glasfaser-verstärkten Kunststoff eingesetzt haben. Zumal langglasfaserverstärkte Kunststoffe auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten für die Großserie darstellbar sind." Zwar wurde das Ganze berechnungsseitig noch nicht verifiziert, doch liefert die Studie wichtige Anregungen, in welche Richtung der Weg führen muss.

Das gilt auch für die zentrale Frage, wie die unterschiedlichen Materialien fügetechnisch miteinander zu verbinden sind. "Die Lösung lag hier in der Kombination verschiedener Verfahren wie Stanznieten, FDS-Verschraubungen, Highspeed-Bolzensetzen (Rivtac-Verfahren) und natürlich intelligentem Kleben." Wobei beim letztgenannten Verfahren das Problem der rechtzeitigen Aushärtung zu klären war, und das vor allem im Hinblick auf die dem Fertigungsprozess nachgelagerte KTL-Beschichtung. Hier gelang es dem Team, mittels unterschiedlicher Verfahren Lösungen aufzuzeigen, die den spezifischen Anforderungen gerecht werden.

51% Gewichtseinsparung im Dach-Bereich

Tatsache ist: Die Studie hat eine Reihe neuer Erkenntnisse geliefert und für Impulse gesorgt. Christoph Lucas-Melcher fasst die Ergebnisse in folgenden Punkten zusammen:

• Im Frontend-Bereich (z. B. Konsole Dämpferbein) des Fahrzeugs wurde unter Einhaltung der Mehrkostenvorgabe beim Material (5 Euro pro Kilogramm) eine Gewichtseinsparung von rd. 50 % erzielt.
• In der Fahrgastzelle (z. B. Seitenwand, Hauptboden) beträgt die Gewichtseinsparung ca. 30 % - ebenfalls bei Berücksichtigung der genannten Mehrkostenvorgabe.
• Im Heckbereich kamen langglasfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) zum Einsatz, wodurch das Gewicht um 38 % reduziert wurde, die Kosten allerdings etwas höher ausfielen (was aber in ausgesuchten Bereichen gestattet war).
• In der Dachstruktur wurde eine Gewichtseinsparung von 51 % unter Einhaltung der Mehrkostenvorgabe erzielt. Unter anderem konnte hierdurch der Fahrzeugschwerpunkt erheblich abgesenkt werden - eine höhere Fahrzeugagilität und eine positive Ökobilanz beschreiben das Ergebnis.

Das Fazit des Abteilungsleiters: "Als Gesamtergebnis der Studie haben wir die Karosserie um 52 Kilogramm leichter gemacht. Das bedeutet: Würde sie komplett, also inklusive Türen, Motorhaube und Heckklappe, in Leichtbauweise umgesetzt, ergäbe sich eine Gewichtseinsparung von rd. 95 Kilogramm." Ein bemerkenswertes Ergebnis, wenn man bedenkt, dass das Erstgewicht der Karosserie eines Großserienfahrzeugs bei rd. 410 Kilogramm liegt.

Das sehen auch die Initiatoren der Studie so. Als Konsequenz prüft der OEM derzeit, welche der aufgezeigten Maßnahmen künftig gemeinsam mit M Plan realisiert werden können. Doch auch über den Studienansatz hinaus wird das Thema Leichtbau für M Plan und sein CoC Gesamtfahrzeug hochaktuell bleiben. Dazu Christoph Lucas-Melcher: "Ebenso wie die alternativen Antriebskonzepte ist der Leichtbau ein wichtiges Stück automobiler Zukunft. Im Blickpunkt steht daher bei uns nicht nur der Einsatz von Aluminium oder LFT, sondern wir sind u. a. auch im Bereich von CFK unterwegs und haben hier schon entsprechende Entwicklungsarbeit geleistet." So wurde z. B. von seinem Team ein leichter Heckdeckel aus CFK konstruiert. "Außerdem sind wir aktuell damit beschäftigt, in einer weiteren Konzeptausarbeitung eine CFK-Tür zu entwickeln, die als Modul eine Vielzahl von Innovationen verspricht." Als wichtiges Einsatzfeld für CFK sieht der Leiter des Technischen Büros vor allem Kleinserienfahrzeuge wie z. B. Elektroautomobile, da hier schon die Batterie eine Menge Gewicht mitbringt, was deutliche Einsparungen in anderen Bereichen erforderlich mache. 

Heckklappe aus kompletter Polymer-Verglasung

Eine Aussage, die Radenko Calasan, Teamleiter Hybridtechnik und interne Projekte in der M Plan-Niederlassung Köln, nur bestätigen kann. Denn auch dort befasst man sich intensiv mit dem Thema Leichtbau. "Erst 2010 haben wir eine Leichtbau-Heckklappe entwickelt, die - fugenlos - aus einer kompletten Polymer-Verglasung besteht und deutlich leichter ist als eine Stahl- oder sogar eine Aluminiumheckklappe (ausführlicher Bericht im nächsten Heft - d. Red.). Dazu gab es weitere Heckklappen-Projekte in der Hybridvariante, d. h. als Kunststoff-Metall-Verbund." Leichtbauaktivitäten entwickelt das Kölner Team aber auch im Hinblick auf Strukturbauteile im Frontend-Bereich.

Genau wie sein Osnabrücker Kollege Christoph Lucas-Melcher betont auch Radenko Calasan die Notwendigkeit, den Leichtbau für die Großserie zu erschließen: "Die künftigen Schwerpunkte liegen bei Materialien, die in der Lage sind, ein wirklich alltagstaugliches, d. h. familienfreundliches Fahrzeug darzustellen. Das schließt natürlich auch die Bezahlbarkeit mit ein. Darüber hinaus muss fertigungstechnisch ein Verfahren angewandt werden, das sich an die heutigen Produktionsstandards anlehnt. Dann steht der neuen Leichtigkeit im Automobilbau nichts mehr im Wege."