Leichtbau im Automobilbau verstehen: Was Automobilhersteller wissen müssen

Einführung

Die Automobilindustrie befindet sich aufgrund der sich ändernden Umweltstandards, Kundenanforderungen und Verbrauchererwartungen auf dem boomenden Markt für Elektroautos in einer Umbruchsituation. Einer der wichtigsten Ansätze, mit denen die Automobilhersteller auf diese Situation reagieren, ist der Leichtbau von Fahrzeugen. Dieser Ansatz zielt darauf ab, das Gewicht des Fahrzeugs zu reduzieren und gleichzeitig die Sicherheit, Leistung und Zuverlässigkeit des Fahrzeugs zu erhalten.

Heute ist es für jeden Automobilhersteller unerlässlich, die Prinzipien, Vorteile und die Umsetzung des automobilen Leichtbaus zu verstehen, da er eine Notwendigkeit für jeden Automobilhersteller ist, um in der Zukunft zu überleben. In diesem Beitrag wird erläutert, was automobiler Leichtbau ist, welche Vorteile er bietet, welche Werkstoffe und Verfahren dabei zum Einsatz kommen und wie die Zukunft des automobilen Leichtbaus aussieht.

Was ist Automobil-Leichtbau?

Leichtbau in der Automobilindustrie ist im Wesentlichen die strategische Reduzierung des Fahrzeuggewichts, die auch als Fahrzeuggewichtsreduzierung bezeichnet wird. Dies geschieht auf folgende Weise: durch die Verwendung fortschrittlicher Leichtbauwerkstoffe zur Auswahl leichterer Fahrzeuge, durch die Optimierung des Designs der Komponenten und durch den Einsatz fortschrittlicher Fertigungstechnologien.

Es geht nicht darum, Fahrzeuge um ihrer selbst willen leichter zu machen, sondern um bestimmte Ziele zu erreichen, wie z. B. einen geringeren Kraftstoffverbrauch, geringere Emissionen, höhere Leistung und eine größere Reichweite von Elektroautos. Ein leichteres Fahrzeug verbraucht weniger Energie, um zu beschleunigen, zu bremsen oder die Geschwindigkeit zu halten, was in bestimmten Fällen zu einer Reihe von Vorteilen führt.

Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass die Gewichtsreduzierung systematisch erfolgen muss und die strukturelle Integrität, Sicherheit oder Qualität des Fahrzeugs nicht beeinträchtigt werden darf.

Die greifbaren Vorteile des Automobil-Leichtbaus

Das Streben nach Leichtbau in der Automobilindustrie wird von einer Vielzahl greifbarer Vorteile angetrieben. Diese Vorteile sind keine abstrakten Ziele, sondern konkrete Ergebnisse, die sich auf die Effizienz, die Umweltfreundlichkeit, die Leistung und potenziell auf die langfristige Wirtschaftlichkeit auswirken.

Verbesserte Kraftstoffeffizienz

Der erste Vorteil des Leichtbaus von Kraftfahrzeugen ist die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs. Denn wenn ein Fahrzeug leichter ist, benötigt der Motor weniger Energie, um es zu bewegen, und verbraucht daher weniger Kraftstoff. Obwohl die Schätzungen je nach Fahrzeugkategorie und Betriebsverhalten variieren, wird geschätzt, dass eine Verringerung des Fahrzeuggewichts um 10% den Kraftstoffverbrauch um 6-8% verbessern würde. Bei herkömmlichen kraftstoffbetriebenen Fahrzeugen bedeutet dies also ein sparsameres Fahrzeug, das dem Fahrer in Bezug auf die Kraftstoffkosten und der Umwelt zugute kommt.

Reduzierte Emissionen

Die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch den Leichtbau führt auch zu einer Verringerung der Treibhausgasemissionen im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Die Verringerung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe pro gefahrenem Kilometer bedeutet, dass weniger Kohlendioxid (CO2) ausgestoßen wird, das das wichtigste Treibhausgas ist, das den Klimawandel verursacht. Auch der Ausstoß anderer kontrollierter Schadstoffe wie Stickoxide (NOx) und Feinstaub (PM) wird verringert.

Angesichts der weltweit verschärften Umweltnormen ist die Wirksamkeit des Leichtbaus bei der Verringerung der Auspuffemissionen ein großer Vorteil für die Automobilhersteller, um diese Normen zu erfüllen, Geldstrafen zu vermeiden und ihr Image als umweltfreundliches Unternehmen zu verbessern. Dies gilt für den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs und trägt dazu bei, den ökologischen Fußabdruck zu verringern.

Verbesserte Fahrzeugleistung

Der Leichtbau verbessert die dynamischen Leistungsparameter von Fahrzeugen in hohem Maße. Ein leichteres Fahrzeug hat ein besseres Leistungsgewicht - weniger Gewicht muss vom Motor oder Elektromotor bewegt werden. Auch die Kontrolle und die Manövrierfähigkeit werden verbessert. Weniger Gewicht bedeutet, dass sich das Fahrzeug leichter in die Richtung dreht, in die es gelenkt wird, dass es leichter die Richtung wechselt und dass sich die Karosserie bei Kurvenfahrten weniger neigt.

Darüber hinaus wird die Bremswirkung verbessert, da weniger Energie abgebaut werden muss, was zu kürzeren Bremswegen führen kann. Die Kombination dieser Verbesserungen führt zu einem dynamischeren und interaktiveren Fahrerlebnis, das in bestimmten Segmenten einen Wettbewerbsvorteil darstellen kann und im Wesentlichen die aktive Sicherheit erhöht.

Erweiterte Reichweite von Elektrofahrzeugen

Von allen Fahrzeugtypen sind batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) am stärksten vom Konzept der Leichtbauweise betroffen. Die Energiedichte der aktuellen Batterietechnologie ist hoch und die Batteriepakete sind schwer und können einen erheblichen Teil der Fahrzeugmasse ausmachen. Eine Verringerung des Gewichts der Karosserie, des Fahrgestells, des Innenraums und anderer Komponenten bedeutet, dass weniger Energie für die Fortbewegung des Fahrzeugs benötigt wird. Dies bedeutet, dass der Energieverbrauch pro Strecke direkt in die Erhöhung der Reichweite mit einer Batterieladung eingeht.

Da die "Reichweitenangst" immer noch ein wichtiger Faktor ist, der die breite Nutzung von Elektrofahrzeugen behindert, ist der Leichtbau eine wichtige Strategie, die Automobilhersteller anwenden können, um Elektrofahrzeuge mit vernünftigen und praktischen Reichweiten anzubieten, um sie für die Verbraucher attraktiver zu machen.

Potenzielle Kosteneinsparungen (langfristig)

Die anfänglichen Kosten für die Umsetzung von Leichtbaustrategien sind in der Regel höher, da sie die Verwendung leichterer Werkstoffe und möglicherweise komplexerer Herstellungsverfahren als bei herkömmlichen Verfahren erfordern.

Für die Verbraucher ergibt sich die größte Ersparnis aus dem geringeren Energieverbrauch während der Nutzung des Fahrzeugs, d. h. geringere Kraftstoff- oder Stromkosten.

Für die Automobilhersteller kann ein erfolgreicher Leichtbau letztlich dazu beitragen, ihre Wettbewerbsfähigkeit auf einem Markt zu erhalten, der sowohl Leistung als auch Effizienz erfordert. Allerdings ist die anfängliche Investitionshürde immer noch ein Faktor, den die Automobilhersteller berücksichtigen sollten, bevor sie die Vorteile dieses Systems auf dem Markt voll ausschöpfen können.

Schlüsselmaterialien zur Gewichtsreduzierung bei Autos

Die Wahl der Werkstoffe ist entscheidend für die Verwirklichung der Gewichtseinsparungsziele. Die Automobilhersteller verwenden heute eine breite Palette von Hochleistungswerkstoffen und setzen sie manchmal in Kombination ein, um ein optimales Verhältnis von Festigkeit, Steifigkeit, Haltbarkeit und Kosten sowie ein geringes Gewicht zu erreichen. Daher ist es wichtig, die Eigenschaften, Anwendungen und Grenzen dieser Werkstoffe zu verstehen.

Hinweis: Alle Eigenschaftswerte stellen typische Bereiche für häufig verwendete Sorten unter Standardbedingungen dar. Die tatsächliche Leistung kann je nach Sorte, Verarbeitung und Anwendungsumgebung erheblich abweichen.

Aluminium-Legierungen

Aluminiumlegierungen sind einer der wichtigsten Werkstoffe für den Leichtbau von Kraftfahrzeugen, da ihre Dichte etwa 1/3 der von Stahl beträgt, was eine erhebliche Gewichtsreduzierung ermöglicht. Moderne Aluminiumlegierungen bieten auch ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, können in komplizierte Formen gebracht werden, sind aufgrund der Bildung einer passiven Oxidschicht selbstheilend und sind 100% recycelbar, was im Einklang mit der nachhaltigen Entwicklung steht.

Es wird in Karosserieteilen (Motorhauben, Türen, Kotflügel), Motorblöcken und Zylinderköpfen, Getriebegehäusen, Fahrwerksteilen (Querlenker, Hilfsrahmen) und neuerdings auch in Crash-Management-Systemen und Gehäusen für Elektroauto-Batterien verwendet. Es trägt zur Gewichtsreduzierung von Autos bei, ohne die Sicherheit und Festigkeit der Fahrzeuge zu beeinträchtigen.

Hochfester Stahl (HSS) und ultrahochfester Stahl (UHSS)

Stahl ist nach wie vor das Material der Wahl für den Fahrzeugbau, und Verbesserungen haben zur Entwicklung von hochfestem Stahl (HSS) und ultrahochfestem Stahl (UHSS) geführt. Diese Werkstoffe bieten wesentlich höhere Streck- und Zugfestigkeiten als Baustähle und ermöglichen so die Konstruktion leichterer Teile ohne Kompromisse bei den strukturellen und sicherheitstechnischen Aspekten.

HSS und UHSS eignen sich besonders für Strukturbauteile wie Rahmen und Fahrgestelle, da sie eine hohe Festigkeit und Verformbarkeit bieten, um die Leistungs- und Crash-Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Effizienz des Fahrzeugs zu verbessern.

Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) und glasfaserverstärkte Polymere (GFK) bieten ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, das oft das von Aluminium und Stahl übertrifft, so dass sie sich als leichte Strukturwerkstoffe eignen. Polymer-Verbundwerkstoffe bieten auch eine beträchtliche Gestaltungsfreiheit und ermöglichen die Integration mehrerer Teile in einzelne komplexe Strukturen.

Obwohl sie derzeit teurer sind, werden sie zunehmend für Anwendungen wie Karosserieteile, Strukturkomponenten und Innenraumteile verwendet. Darüber hinaus werden sie zunehmend in fortschrittlichen Anwendungen wie EV-Batteriegehäusen und Wasserstoffspeichern eingesetzt, die sowohl Leistungs- als auch Gewichtsvorteile bieten.

Magnesium-Legierungen

Magnesium ist das leichteste aller Konstruktionsmetalle und hat eine Dichte, die etwa 30% unter der von Aluminium und nur etwa 25% unter der von Stahl liegt. Dies macht es sehr wünschenswert für Anwendungen, bei denen ein Maximum an Gewicht eingespart werden soll. Außerdem ist das Dämpfungsvermögen von Magnesiumlegierungen hoch, was bei der Reduzierung von Lärm und Vibrationen von Nutzen ist.

Aufgrund seiner geringen Dichte, der höheren Kosten, der galvanischen Korrosion bei Kontakt mit anderen Metallen und der besonderen Verarbeitungsanforderungen ist seine Verwendung jedoch begrenzt. Es wird hauptsächlich in den Trägern der Instrumententafel, den Armaturen des Lenkrads, den Rahmen der Sitze, den Verteilergetrieben und anderen Halterungen und Abdeckungen des Antriebsstrangs verwendet.

Kunststoffe und Polymere

Der Einsatz von technischen Kunststoffen und Polymeren in der Automobilindustrie bietet eine wirksame und wirtschaftliche Möglichkeit zur Gewichtsreduzierung bei vielen Teilen. Sie haben ein geringes Gewicht, lassen sich leicht in komplizierte Formen bringen, korrodieren nicht und können Funktionen in einer einzigen Einheit vereinen - das sind nur einige ihrer Vorteile.

Es kann für unkritische Anwendungen wie Stoßstangen, Kotflügel, Innenverkleidungen, Armaturenbretter und Kraftstofftanks sowie für anspruchsvollere Anwendungen wie Ansaugkrümmer und Motorabdeckungen verwendet werden.

Fertigungstechniken für leichte Fahrzeuge

Beim Leichtbau geht es nicht nur um die Wahl des richtigen Werkstoffs, sondern auch um den Einsatz geeigneter und oft anspruchsvoller Technologien zur Herstellung dieser Werkstoffe zu effizienten und leichten Teilen.

3D-Druck

Der 3D-Druck oder die additive Fertigung wird in der Automobilindustrie allmählich populär, insbesondere unter dem Aspekt des Leichtbaus. Techniken wie SLM oder FDM ermöglichen die Herstellung komplexer Strukturen mit inneren Gittern, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht erreicht werden können.

Dies hilft den Ingenieuren bei der Herstellung von Teilen mit Topologie, d. h., es wird nur dort Material verwendet, wo es für die strukturelle Unterstützung und Festigkeit benötigt wird, und nicht in anderen Bereichen, wodurch das Gewicht reduziert wird. Obwohl der 3D-Druck derzeit vor allem für das Prototyping, den Werkzeugbau und die Kleinserienfertigung einzigartiger oder spezifischer Teile eingesetzt wird, weil die Geschwindigkeit und die Kosten für die Großserienfertigung begrenzt sind, hat er ein großes Potenzial für die direkte Herstellung hochintegrierter Leichtbaukomponenten in der Zukunft.

Heißprägung / Presshärtung

Dieses Verfahren wird vor allem für die Herstellung von UHSS-Teilen verwendet, insbesondere für solche, die sicherheitsrelevant sind. Dabei wird der Stahlrohling auf eine hohe Temperatur erwärmt (Austenitisierungsphase), in eine Matrize gegeben und in die gewünschte Form gebracht und dann in der Matrize abgeschreckt. Dieser kontrollierte Erhitzungs-, Umformungs- und Abkühlungszyklus verleiht dem fertigen Teil eine sehr hohe Festigkeit, die in der Regel im Bereich von 1500 MPa und darüber liegt.

Dadurch ist es möglich, wesentlich dünnere Stahldicken als bei herkömmlichen Kaltumformungsverfahren zu verwenden und dennoch ein hohes Maß an Crash-Performance beizubehalten. Die Warmumformung erfordert den Einsatz spezieller Öfen, Automatisierungsanlagen und innengekühlter Werkzeuge, die zwar teuer, aber für die Herstellung hochfester und leichter Stahlkonstruktionen unerlässlich sind.

Präzisionsdruckguss und Druckguss

Druckguss ist ein großvolumiges Fertigungsverfahren, das sich ideal für die Herstellung komplizierter Aluminium- und Magnesiumteile eignet. in den Vereinigten Staaten. Flüssiges Metall wird unter hohem Druck in wiederverwendbare Stahlformen (Matrizen) gepresst. Dies ermöglicht die Herstellung komplexer, eng tolerierter Teile mit guten Maßtoleranzen und Oberflächengüten, so dass manchmal Nachbearbeitungen überflüssig sind.

Es wird für Teile des Antriebsstrangs wie Motorblöcke, Getriebegehäuse, Ölwannen, Strukturknoten im Fahrzeugrahmen oder -chassis, Lenkgetriebegehäuse und große dünnwandige Strukturen wie Instrumententafelträger oder Batterieträger für Elektrofahrzeuge verwendet. Die Kontrolle der Gießprozessparameter wie Temperatur, Druck und Einspritzgeschwindigkeit ist sehr wichtig, um solide Gussteile zu erhalten, die frei von Porosität sind und die erforderlichen mechanischen Eigenschaften aufweisen, insbesondere wenn die Gussteile in strukturellen Anwendungen eingesetzt werden sollen, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern.

Herstellung von Blechen

Die Blechbearbeitung ist eine gängige Methode zur Herstellung leichter Fahrzeugkomponenten, bei der neben herkömmlichem Stahl auch leichte Werkstoffe wie Aluminium und HSS/UHSS verarbeitet werden können. Zu den wichtigsten Materialien dieser Methode gehören eine Reihe von Verfahren, mit denen Bleche in die gewünschte Form gebracht werden können. Diese Methode wird häufig für Karosseriebleche und andere strukturelle Komponenten verwendet, die präzise Formen und Festigkeit in verschiedenen Fahrzeugteilen erfordern, was sich letztendlich auf das Gewicht eines Fahrzeugs auswirkt.

Schneiden

Das Schneiden ist der erste Schritt in der Blechbearbeitung, bei dem das Blech vor der Formgebung präzise in die gewünschte Form geschnitten wird. Zu den Techniken gehören Laserschneiden (hohe Präzision, Flexibilität, gut für komplexe Konturen und verschiedene Materialien), Plasmaschneiden, Wasserstrahlschneiden und verschiedene andere Schneidverfahren.

Präzises Schneiden und effizientes Verschachteln von Rohlingen sind entscheidend für die Minimierung des Materialabfalls.

Biegen

Biegetechniken wie Abkantpressen und Walzprofilieren werden eingesetzt, um Bleche in komplexe dreidimensionale Formen für Karosserieteile, Strukturelemente und andere Komponenten zu bringen. Präzises Biegen ist wichtig, um die gewünschte Festigkeit und Passform zu erreichen.

Stanzen

Stanzvorgänge werden zur Herstellung von Löchern, Schlitzen und anderen Merkmalen in Blechteilen verwendet, um die Designflexibilität zu erhöhen. Hochmoderne Anlagen wie CNC-Stanzmaschinen bieten hohe Geschwindigkeit, Präzision und Wiederholbarkeit und verbessern die Produktionseffizienz erheblich.

Dehnen

Ein Verfahren zum Formen großer, gleichmäßig konturierter Platten, wie z. B. Dachplatten oder Karosserieseiten. Der Blechzuschnitt wird an den Kanten eingespannt und über ein Formwerkzeug gezogen. Diese Technik trägt dazu bei, die Materialstärke beizubehalten und Faltenbildung bei der Herstellung komplexer Krümmungen zu vermeiden, was besonders bei Aluminiumblechen wichtig ist, die anfälliger für Risse sind als Stahl.

Schweißen

Schweißen ist ein entscheidender Prozess für die Verbindung von Blechteilen zur Herstellung der Fahrzeugstruktur und verschiedener Baugruppen. Fortschrittliche Schweißtechniken wie Laserschweißen, Widerstandspunktschweißen und Roboterschweißen werden eingesetzt, um starke, haltbare und leichte Verbindungen zu gewährleisten.

Oberflächenbehandlung

Oberflächenbehandlungsverfahren wie Lackierung, Beschichtung und Verzinkung sind für den Korrosionsschutz von Leichtmetallbauteilen unerlässlich und gewährleisten deren langfristige Haltbarkeit und Ästhetik.

TZR: Präzisionsblechfertigung für den Automobil-Leichtbau

Mit mehr als 20 Jahren Erfahrung ist TZR auf die Präzisionsblechfertigung spezialisiert und bietet umfassende Dienstleistungen, die für die Produktion von Leichtbauteilen für die Automobilindustrie unerlässlich sind. Wir bieten professionelle Konstruktions- und Designlösungen, die potenzielle zusätzliche Herausforderungen bewältigen und gleichzeitig die Fertigungsprozesse beschleunigen.

Wir beherrschen Laserschneiden, Präzisionsbiegen (mit einer Genauigkeit von ±0,02 mm), Laserschweißen und bieten 12 Oberflächenbehandlungen an. So können wir verschiedene Metallmaterialien wie Aluminium, Stahl und Kupfer fachmännisch bearbeiten und hochpräzise, komplexe Teile herstellen.

Wir haben uns fortschrittlichen Fertigungstechniken und strengen Qualitätskontrollen verschrieben und übertreffen die ISO-Normen, was sich in einer Ausbeute von 98% niederschlägt und sicherstellt, dass Ihre Leichtbauteile die strengen globalen Automobilspezifikationen erfüllen.

Gehen Sie eine Partnerschaft mit TZR ein, um Ihre Leichtbauziele zuverlässig zu erreichen und durch unsere bewährte Blechfertigung effizientere und nachhaltigere Fahrzeuge zu bauen.

Zukünftige Innovationen im Automobil-Leichtbau

Das Streben nach Leichtbau im Automobilbau ist ein kontinuierlicher Prozess, der durch ständige Innovationen bei Werkstoffen, Konstruktionsmethoden und Fertigungstechnologien vorangetrieben wird. Mehrere wichtige Trends prägen die Zukunft dieses Bereichs:

Multi-Material-Design: Das Konzept des "richtigen Materials am richtigen Ort" wird immer ausgefeilter werden. Künftige Fahrzeuge werden verschiedene Werkstoffe - Stahl, Aluminiumlegierungen, Magnesium, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe - enthalten, die strategisch platziert werden, um die Leistung zu optimieren und gleichzeitig Masse und Kosten zu reduzieren. Dies erfordert Fortschritte bei vorausschauenden Simulationswerkzeugen und effiziente Methoden zum Verbinden unterschiedlicher Materialien.

Fortschrittliche Verbundwerkstoffe: Die Forschung konzentriert sich darauf, Hochleistungsverbundwerkstoffe wie CFK für den Massenmarkt zugänglicher zu machen. Zu den Innovationen gehören schneller aushärtende Harzsysteme, automatisierte Faserplatzierungsverfahren und die Entwicklung thermoplastischer Verbundwerkstoffe, die eine schnellere Verarbeitung und ein einfacheres Recycling ermöglichen. Darüber hinaus zielen die Bemühungen um die Entwicklung kostengünstigerer Kohlenstofffaser-Precursor darauf ab, die Materialkosten zu senken und den Einsatz von Verbundwerkstoffen in der Automobilindustrie zu erleichtern.

Neuartige Metalllegierungen: Die Materialwissenschaft bringt immer wieder neue Werkstoffe mit verbesserten Eigenschaften für den Leichtbau hervor. Dazu gehören neue Generationen von Aluminiumlegierungen mit verbesserter Festigkeit und Verformbarkeit, fortschrittliche Magnesiumlegierungen mit besserer Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit sowie potenziell neue Formulierungen von hochentropen Legierungen oder metallischen Schäumen mit einzigartigen Eigenschaftskombinationen.

Topologie-Optimierung und KI-gesteuertes Design: Computergestützte Werkzeuge wie Topologieoptimierung und KI revolutionieren das Fahrzeugdesign. Sie ermöglichen es den Ingenieuren, Strukturen mit optimaler Materialverteilung zu entwerfen und so das Gewicht bei gleichbleibender Leistung zu reduzieren. Die frühzeitige Integration dieser Technologien wird ein größeres Leichtbaupotenzial freisetzen und zu effizienteren Konstruktionen führen.

Schlussfolgerung

Während die Automobilindustrie den Leichtbau weiter vorantreibt, müssen die Hersteller die Vorteile von Leichtbaumaterialien, fortschrittlichen Fertigungstechniken und die sich entwickelnden Anforderungen von Elektrofahrzeugen und Nachhaltigkeit berücksichtigen.

Durch die strategische Verringerung des Fahrzeuggewichts mit Hilfe fortschrittlicher Werkstoffe und Fertigungstechniken können die Automobilhersteller erhebliche Einsparungen bei Kraftstoffverbrauch, Leistung und Emissionen erzielen. Auch wenn es noch Herausforderungen gibt, ist die Zukunft des Fahrzeugleichtbaus vielversprechend, und das Potenzial für leichtere Fahrzeuge wird immer größer. Um wettbewerbsfähig zu bleiben und zu einer nachhaltigeren Zukunft der Automobilindustrie beizutragen, ist es wichtig, die Prinzipien und Fortschritte in diesem Bereich zu verstehen.