Lightweight Construction – Mit Leichtbau in die Zukunft

Lightweight Construction, Leichtbau

Wie können Werkstoffe und Strukturen verarbeitet werden, die das Gewicht minimieren ohne dass die Stabilität und Zuverlässigkeit verloren geht? Es reicht nicht aus an Material und Energie zu sparen. Unternehmen müssen die Trends im Leichtbau frühzeitig aufgreifen, um nachhaltige Wettbewerbsvorteile zu erzielen. Für diese Ziele und zur Lösung der Herausforderungen wurden unterschiedliche Lösungen auf der Industriemesse in Hannover vorgestellt.

Autor:Thomas W. Frick, 25.04.2018, Thema: Lightweight Construction, Leichtbau

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Leichtbau zum Energie sparen

Leichtbau zum Energie sparenFossile Brennstoffe sind auf der Welt nur begrenzt verfügbar. Deswegen ist die Nachfrage nach neuen Effizienztechnologien, welche den C02-Ausstoß nachhaltig verringern sollen, gestiegen. Allein die Automobilbranche ist für ca. 20 % aller C02-Emissionen verantwortlich. Auch soll die Anzahl der weltweiten PKWs bis 2035 auf 1,7 Milliarden ansteigen. Es werden vermehrt Elektroautos verkauft und produziert, die anfängliche Zurückhaltung scheint immer mehr zu schwinden. Die größte Herausforderung bei den Elektroautos ist das Verhältnis zwischen Leistung und Gewicht. Dies bedeutet, umso leichter ein E-Auto ist, desto mehr Leistung bringt es auf die Straße. In den letzten Jahren hat sich das relativ hohe Gewicht der gegenwärtigen technologischen Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien nicht wesentlich verändert. Auf Grund dessen sind weitere Einsparpotentiale wichtig, die auch auf Reifentechnik, Innenraum, Karosserie und äußerer Erscheinung basieren.

Es gibt zahlreiche vielversprechende Ansatzmöglichkeiten, um weiteres Gewicht in der kompletten Fahrzeugkonzeption zu verringern. Dadurch kann Energie gespart werden.  Die Automobilbranche hat dies schon vor langer Zeit erkannt. Deshalb werden Kunststoffe mittlerweile in vielen herkömmlichen Komponenten, wie z.B. Ansaugrohre, Armaturenbretter oder Zylinderabdeckungen, verwendet. Vor allem wegen ihrer guten Verarbeitungsqualitäten und Gebrauchswerte. Inzwischen werden rund ein Fünftel solcher gewichtssparender synthetischer Materialien bei zeitgemäßen Fahrzeugen verbaut.

 

Die Karosserie beim Leichtbau

Die Karosserie beim LeichtbauDer strukturell-übliche Karosseriebau hat großes Potenzial, um Gewicht und damit Emissionen einzusparen. Auch Sicherheitsbauteile, wie beispielsweise Motorenlager, Crash-Absorber oder Stoßfängerabstützungen werden aus Duroplaste gefertigt. Die Gewichtseinsparung pro Bauteil beträgt hier bis zu 50 Prozent. Aber auch kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK), die über eine sehr große Leichtbaufähigkeit verfügen, können in der Karosserie bis zu 100 Kilogramm an Gewicht einsparen, da sie über eine hohe mechanische Steifig- sowie Festigkeit verfügen. Die einzige Problematik sind die hohen Kosten und die komplizierten Herstellungsverfahren. Auch hoch oder höher feste Stähle oder die Verwendung von Magnesium- und Aluminiumlegierungen sind erfolgsversprechend. Gegensätzliche Ansprüche müssen beim modernen Karosseriebau erfüllt werden. Zum einen muss das gewichtigste und größte Kfz-Bauteil so leicht wie nur möglich sein, zum anderen soll eine sehr hohe Fahrsicherheit gewährleistet werden. Hinzu kommt die Integration der Batterie und weiterer Bauteile.

 

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Immer mehr Metalle werden im Fahrzeuginnenraum durch Kunststoffe ersetzt. Außerdem werden immer mehr Hybridbauteile und Thermoplast-Schaumspritzguss durch Gewichtseinsparungen verwirklicht. Im hybriden Leichtbau kommt es eben auf den optimalen Materialmix an. In der Verwendung dieser Materialvielfalt steckt noch ein großes Potenzial, um die Konzepte bei dem Leichtbau weiter zu optimieren. Häufig betroffene Komponenten sind Verkleidungen, Autositze oder Säulenabdeckungen. Auch der Einsatz von Duroplaste im Außenbereich wird immer beliebter. Dies betrifft Teile wie Kotflügel, Motorhauben oder Heckklappen. Durch diese Neugestaltung entstehen viele Vorteile. Einerseits ist es die große Gewichtsreduzierung, bei der auch ein leichtes Dachmodul mit integrierten Solarmodulen inzwischen erfolgreich entworfen wurde. Dies entlastet das Problem des Energietankens bei Sonnenschein. Andererseits kann aufgrund der fünffach geringeren Wärmedämmung die Infrarot-Strahlung besser abgehalten werden. Dies führt zu einem geringen Aufheizen der Fahrzeugkabine, zudem wird die Klimaanlage nicht mehr so häufig benötigt.

 

Herausforderungen beim Leichtbau

Herausforderungen beim LeichtbauAuch der Umkehrfall bei kalter Witterung wirkt sich positiv aus. Da durch die Polycarbonat-Scheibe mehr Wärme im Fahrzeuginneren verbleibt, wird der Heizbedarf erheblich reduziert. Vor allem bei den Kunststoffaußenteilen können schon während der Herstellung verschiedene Einfärbungen vorgenommen werden. Dies führt dazu, dass die unterschiedlichen Bauteile nach der Einzelproduktion schon einen bestimmten Farbton besitzen. Dadurch entfallen Lackierarbeiten. Somit werden weitere Kosten, Fertigungszeiten und weiteres Gewicht reduziert. Aufgrund der größeren Formgebungspotentiale ergeben sich neue Gestaltungsmöglichkeiten. Dadurch können bestimmte Bauteile preiswert und als Ganzes gefertigt werden und Arbeitskosten gesenkt werden.

Außerdem sind plastische Materialien korrosionsbeständiger wie Metalle. Aber auch diese Materialien verschleißen irgendwann. Eine entscheidende Größe um Energie einzusparen, ist der Rollwiderstand. Die Reifen absorbieren ca. 25 % der Fahrenergie. Verschiedene Experimente haben gezeigt, dass die Art des Kautschuks Einfluss auf das Materialverhalten und auf das Gewicht hat. Zusätzlich hat sich eine Dimensionierung mit schmaler Lauffläche sowie großem Gesamtdurchmesser und relativer großer Seitenwand als vorteilhaft erwiesen. Der moderne hybride Leichtbau vereinigt die werkstofftechnischen Vorzüge von Kunststoffen  und Metallen.

 

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Zu den herkömmlichen Fügetechniken werden besonders bei der Kunststoffverarbeitung spezielle Klebstoffsysteme benötigt, die den mechanischen Beanspruchungen genügen. Durch das Spritzgießen entsteht ein sehr stabiler Materialmix im höheren Belastungsbereich mit einer Gewichtsreduktion von ca. 40 %.  Zudem soll eine Kompensation von thermischen Spannungen sowie eine elektrochemische Potenzialtrennung ermöglicht werden. Dadurch kann weiteres Gewicht eingespart werden, da viele weitere mechanische Bauteile wegfallen. Im Zusammenhang mit nachhaltigem Recycling ist nicht nur das Verbinden, sondern auch das Trennen äußerst wichtig. Generell sollten bei einer Multimaterialbauweise so viele Teile wie möglich wieder in den Wirtschaftskreislauf zurückgeführt werden. Deshalb müssen auch innovative Aufbereitungsverfahren entwickelt werden. Aus diesem Grund fängt das Recycling mit der Konstruktion der Bauteile an.

 

Die Batterie beim Leichtbau

Die Batterie beim LeichtbauHinsichtlich innovativer Batterietechnik ist es wichtig, Gehäuse, wesentliche Funktionen und Verbindungselemente so gewichtsarm wie möglich zu konzeptionieren. Ebenso sind beim Batteriezellstapel halogenfreier Flammenschutz, Temperaturbeständigkeit und Kühlmittel von großer Bedeutung. Auch die Verformbarkeit, die Dichtheit bzw. Isolierbarkeit und das Kriechverhalten der Bauteile spielen bei der Materialentwicklung eine entscheidende Rolle. Für diese genannten Eigenschaften sind aufgrund ihrer thermischen Belastungen duroplastische Kunststoffe hervorragend geeignet. Für eine bessere Leistungsfähigkeit werden gegenwärtig weltweit verschiedene Zelltechnologien auf Lithium-Basis oder Natrium-Ionen-Batterien erforscht und entwickelt. Mittel- bis langfristig sind auch hier noch große Gewichtsreduktionen bzw. Leistungssteigerungen vorhanden.

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