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Schon jetzt zeichnen sich Großserien von Hybridbauteilen ab

Hybridleichtbau ist nicht aufzuhalten

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Leichtbau | Metall vollständig zu ersetzen ist nicht immer möglich. Moderne Ansätze zielen daher auf einen Materialmix aus Metall und Kunststoff, der in seiner höchstentwickelten Form in hybride Bauweisen mündet. Der Kunststoff ist mit Fasern verstärkt, oft sogar mit Endlosfasern. Die Ergebnisse sind so überzeugend, dass hybride Bauweisen inzwischen auch in den Maschinenbau einfließen.

David VinkFachjournalist in Mettmann

Allein für Mercedes-Pkw liefert ElringKlinger in den Jahren 2014 bis 2020 Polymer-Metall-Hybrid-Technologie im Wert von 120 bis 130 Mio. Euro aus. Es handelt sich um Frontend- und Cockpitquerträger sowie Frontendadapter, die in den ElringKlingerWerken in Leamington/Kanada und Suzhou/China produziert werden. Den zugehörigen Rahmenvertrag bezeichnet CEO Dr. Stefan Wolf als den „größten Liefervertrag in der Firmengeschichte“ – er trägt bereits deutlich zum Konzernumsatz bei (1,5 Mrd. Euro im Jahre 2015).
Die bei Daimler entwickelte, spezielle hybride Bauweise hat Konjunktur. Über die Anfänge der PMH-Technologie und ihre Weiterentwicklung hatte der Industrieanzeiger bereits berichtet: Es begann damit, dass der Automobilhersteller das Innenhochdruckumformen IHU mit dem Kunststoff-Überspritzen kombinierte – weitere Informationen dazu finden sich in den Ausgaben 3/2014 und 21/2015 (www.industrieanzeiger.de, Suchwort „Vink“). Inzwischen zieht die Technologie immer weitere Kreise.
Nach dem Vorstellen von PMH-Teilen auf der IAA im September 2015 gab ElringKlinger im November bekannt, mit anderen Autoherstellern ebenfalls Verhandlungen zu führen. Der Zulieferer fasste dafür einen weiteren Lizenzvertrag mit Daimler ins Auge – der OEM ist nicht nur Entwickler der Technologie, sondern produziert auch selbst PMH-Teile. Finanzanalysten erhielten dann im März die Information, dass in Leamington eine zweite Fertigungsanlage für PMH-Querträger in Betrieb gegangen ist.
Die neue hybride Bauweise scheint sich zu etablieren. Dafür sprechen auch Informationen von und zu den Unterlieferanten. Kunststoffhersteller Lanxess präsentierte sich beispielsweise als Materiallieferant für Mercedes-PMH-Teile. Das verwendete Durethan BKV 60 H2.0 EF von Lanxess ist ein zu 60 % glasfaserverstärktes Polyamid 6. Ihr leichtfließendes Verhalten erzielt die PA6-Type durch die scherverdünnende (pseudoplastische) H.20-Technologie. Gegenüber dem Industrieanzeiger bestätigte ElringKlinger außerdem, dass PMH-Teile auf Spritzgießmaschinen von Engel Austria mit 2700 t Schließkraft produziert werden. Linearroboter des Typs Engel Viper 120 übernehmen das Teile-Handling.
Auf der Automobilmesse IAA 2015 war eine Reihe unterschiedlicher Hybridtechnologien und die damit produzierten Komponenten zu sehen. Kirchhoff Automotive zeigte den Prototypen eines Frontendträgers in Multi-Materialmix-Bauweise: Bestehend aus Stahlblech, „Organoblech“ und Glasmatten-Thermoplast (GMT) erzielt er einen Gewichtsvorteil von 50 % gegenüber Vollstahl. Kirchhoff entschied sich für die glasfaserbasierte Lösung, weil die Glasfaser im Vergleich zur Carbonfaser noch relativ günstig sei.
Mubea Muhr & Bender präsentierte die Hybridkonstruktion einer B-Säule, die aus warmumgeformten, flexibel gewalzten Stahlblechen mit reduzierter Wandstärke (Tailored Rolled Blanks – TRP) besteht und mit Composites verstärkt ist (Fibre Reinforced Plastics – FRP). Diese „TRP/FRP“-Hybridsäule, die mit dem Engineering-Dienstleister Edag entwickelt wurde, wiegt 6,2 kg und ist damit deutlich leichter als herkömmliche Vollstahlsäulen mit Gewichten zwischen 7,7 kg und 9,5 kg. Weitere Einzelheiten dazu in Industrieanzeiger 21/2015, Seite 38.
Im Bereich Radfelgen stellte derselbe Zulieferer in Frankfurt „die weltweit erste Verwendung von carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) in einem Hybridrad“ vor. Das „Mubea Performance Wheel Hybrid“ (MPW-H) sollte demnächst für ein Premienfahrzeug in Serienproduktion gehen, teilte das Unternehmen mit. Gegenüber Rädern aus geschmiedetem Aluminium spart das hybride Rad 10 kg Gewicht pro Pkw ein.
Es ist nicht die einzige hybride Lösung bei Rädern. Mit dem Anspruch, weltweit führender Hersteller von Automobilräder aus Stahl und Aluminium zu sein (65 Mio. Stück/Jahr), zeigte Maxion Wheels auf der IAA 2015 eine Kombination aus einem flüssiggeschmiedeten Aluminium-Felgenstern und einem CFK-Felgenring. Das Hybridrad spart 40 % des Gewichts eines Vollaluminiumrads ein. Es wurde mit ThyssenKrupp Carbon Components entwickelt und ist Ergebnis einer im Juni 2015 vereinbarten Kooperation. Hergestellt in einem speziellen CFK-Flechtverfahren auf einer Anlage der August Herzog Maschinenfabrik wurde es speziell für Luxus- und Sportautos konzipiert.
Schon vor der Präsentation auf der Messe hatte Volkswagen begonnen, das Hybridrad auf der Straße zu testen. Die Ergebnisse: Gegenüber herkömmlichen Vollaluminiumrädern bietet es verbesserte Fahreigenschaften bei Dämpfung, Vibrationen und Fahrgeräuschen. Nicht zuletzt sind Hybridräder auch ein wichtiges Element im Leichtbauprojekt InCar Plus des ThyssenKrupp-Konzerns – aber als CFK/Stahl-Lösungen.
Wie Industrieanzeiger 21/2015 berichtete, hat ThyssenKrupp in InCar Plus eine PKW-Tür aus Litecor entwickelt (einem sandwichartigen Blech mit Kunststoffkern) und auf der Innenseite mit aufgesprühtem Polyurethan-Schaum verstärkt. Der PUSchaum ermöglicht es, die Blechdicke weiter zu verringern und damit zusätzlich Gewicht einzusparen. Auf der Fachmesse Composites Europe im September 2015 konnten Besucher die PU-verstärkte Tür auf dem Stand des PU-Maschinen-Herstellers Hennecke sehen.
Bei hybriden Technologien ist die Fügetechnik besonders gefordert. Einblicke in Lösungen gewährten auf der IAA 2015 insbesondere Wissenschaftler. So stellte das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT den Demonstrator eines Batteriepacks vor, der aus hochfestem Stahl und faserverstärktem Kunststoff (FVK) besteht – entwickelt zusammen mit Edelstahlhersteller Outokumpu Nirosta. Bei dieser hybriden Leichtbau-Kompente werden zu 30 % GF-verstärkte Thermoplast-Platten, sogenannte Organobleche, mit einem 1,5 mm dicken Gitterrahmen aus „Nirosta H1000“ verbunden. Bei dem Edelstahl Typ 1.4034 handelt es sich um einen austenitischen, ultrahochfesten MnCr-Werkstoff.
Beide Materialien haften kaum aneinander, wenn der Thermoplast nur aufgeschmolzen wird. Um dennoch eine ausreichende Haftfestigkeit zu erzielen, lassen die Wissenschaftler zunächst den Laser eine Mikrostruktur in die Edelstahloberfläche einarbeiten. Die entstehenden Hinterschnitte und rauhen Oberflächen tragen zum Verankern der aufgeschmolzenen thermoplastischen Polymermatrix der Organoblech-Platten im Metall bei und damit zu einer hohen Haftfestigkeit. Dr. Alexander Olowinsky, Leiter der ILT-Gruppe „Mikrofügentechnik“, berichtete auf der Automobilmesse, die Mikrostrukturen würden in einer Breite von 30 bis 100 µm „bei hoher Geschwindigkeit“ erzeugt. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM simulierte und prüfte die Belastbarkeit des so gefügten Hybridleichtbau-Batteriepacks.
Auch bei herkömmlichen Verbindungstechniken wie Schrauben und Nieten kann Materialermüdung auftreten und zu Problemen führen. Zum Beispiel beim Befestigen eines verstärkenden Seitenaufprallträgers aus Kunststoff an eine Pkw-Tür aus Metall. Als Alternative stellte das Fraunhofer ILT daher auf der Composites-Leitmesse JEC im April 2016 das Laserdurchstrahlschweißen vor. Die damit verbundenen Forschungsarbeiten sind Teil des Leichtbauprojekts PMJoin, in dem Peugeot Citroen Automobiles (PSA) mit den Zulieferern Faurecia Autositze, Valeo und dem ILT zusammenarbeitet.
Der im Projekt entwickelte Seitenaufprallträger besteht aus langfaserverstärktem Vizilon TPC (ThermoPlastic Composite), einem Organoblech mit PA6.6-Polymermatrix von Dupont, und ist überspritzt mit kurzfaserverstärktem Vizilon. Gegenüber einem Träger aus ultrahochfestem (UHHS-)Stahl spart der Kunststoff-Seitenaufprallträger 40 % Gewicht ein.
Im Nachfolgeprojekt FlexHyJoin soll nun eine vollautomatisierte Produktionszelle konzipiert werden. FlexHyJoin läuft zwischen Oktober 2015 und Dezember 2018 und zielt in einer weiteren Entwicklungsstufe auf die Kombination von Laserdurchstrahlschweißen mit einem Induktions-Fügeverfahren. Neben dem Fraunhofer ILT ist in dem neuen Projekt das Institut für Verbundwerkstoffe IVW als Projektkoordinator beteiligt. Weitere Partner sind unter anderen das CRF Centro Ricerche Fiat, Fill, HBW-Gubesch Thermoforming, Leister Technologies und New Infrared Technologies. Darüber hinaus sind das IVW, HBW-Gubesch und Leister auch in dem Projekt Ybridio tätig, das sich ebenfalls um Fügemethoden kümmert. Und es gibt noch eine Reihe weiterer Projekte, die Fügetechnologien für Hybridbauweisen zum Inhalt haben. Besonders erwähnenswert ist, dass Evonik im Dezember ein Prepreg-Material mit Polyurethanmatrix auf den Markt brachte, das eine CFK-Metall-Scherfestigkeit über 10 MPa erreichen soll, ohne dass dafür eine Vorbehandlung der Metalloberfläche notwendig werde.
Auf dem VDI-Kongress „Kunststoffe im Automobilbau“ im März 2016 präsentierte Formenbauer Siebenwurst den Prototypen einer hybriden PKW-Rückwand für die Mercedes A-Klasse. Durch Spritzgießen wird das Stahlblech hier einerseits verstärkt und andererseits mit thermoplastischen Funktionselementen ausgestattet. Siebenwurst ist auch als Formenlieferant bekannt für die Produktion von Polymer-Metall-Hybrid-Teilen im Mercedes-Werk Hamburg.
In einem Poster gewährte Siebenwurst außerdem Einblicke in die FVK-Metall-Hybridbodenstruktur eines Elektrofahrzeugs von Volkswagen. Der Formenbauer fertigte dafür ein Prototypenwerkzeug. Der Boden wurde zusammen mit dem Institut für Leichbaukonstruktion und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden entwickelt und in einem Vortrag von Dr. Olaf Täger beschrieben. In der VW-Forschungsabteilung Materialien und Produktion ist er Leiter der Kunststoffgruppe. Täger erklärte, wie der Boden einerseits aus PA6-Organoblech, GMT-Rippen und Thermoplast-Einlegern (Tapes) und andererseits sowohl aus Aluminium und auch Stahl besteht.
Einige Automobilhersteller machten auf der IAA 2015 Aussagen zu Trends und ihren Plänen im Hybridleichtbau. BMW beschrieb, wie „Carbon Core“-Technologie in der neuen 7-er-Reihe 133 kg Gewicht eingespart hat. Kombinationen aus Aluminium, hochfestem Stahl und CFK haben dazu beigetragen. Jetzt setzt BMW im Werk Dingolfing zusätzlich zum Hockdruck-RTM (Resin Transfer Moulding), das mit trockenen Preforms arbeitet, auch ein „Nasspressverfahren“ für Teile im 7-er ein: Auf sieben Dieffenbacher-Pressanlagen wird mit Epoxydharz imprägniertes Carbonfaser-Gewebe direkt im „nassen“ Zustand gepresst und gehärtet. Zwei der Dieffenbacher-Pressen verbinden in einer hybriden Verfahrensvariante gleichzeitig Stahlbleche mit CFK. Das Ergebnis sind fertig produzierte Hybridleichtbauteile wie B-Säulen.
Während BMW duroplastisches Polymer (Epoxidharz) verwendet, arbeitet Volkswagen mit BASF und KraussMaffei in einem Projekt an einer B-Säule, bei der hochfester Stahl mit thermoplastischem CFK verstärkt wird, basierend auf Polyamid 6. Zum Einsatz kommt dafür ein für Thermoplast ausgelegtes RTM-Verfahren (T-RTM). Entscheidend ist hier die Imprägnierung der Carbonfaser-Gewebe mit extrem leichtfließendem CaprolactamMonomer, das erst in der RTM-Presse von Dieffenbacher zu relativ zähfließendem, festen PA6 polymerisiert.
Porsche stellte das viersitzige Konzeptsportfahrzeug „e-mission“ auf der IAA 2015 vor, das „Ende des Jahrzehnts“ eingeführt werden soll, und sprach dabei von einem „funktionalen Mix aus Aluminium, Stahl und CFK“, ohne Einzelheiten zu erwähnen.
Audi präsentierte den unteren Querträger des Frontends im Audi A8 L als „Anbauteil aus FVK und drei eingelegten Aluminiumblechen“. Mit 5,2 kg sei das Gewicht beträchtlich niedriger als ein Voll-Aluminium-Querträger, hieß es.
Nicht auf der IAA erwähnt hat Daimler eine Hybridstrebe, die aus einem Stahlband mit einem umgebenden Verbundwerkstoff besteht (Epoxidharz als Polymermatrix). Hybride aufgebaut ist sogar deren Composites-Anteil: Unidirektional angeordnete Carbonfasern kommen zwischen inneren und äußeren Glasfaser-Geflechtschichten zu liegen. Hergestellt wird das Konstrukt in einem speziellen „PulBraiding“-Flechtverfahren.
Solche Streben sind typischerweise PKW-Unterbauteile und werden konventionell als Stahlrohr mit gepressten Enden oder als Stahlgussteil hergestellt. Diagonal in Vorderwagen- und Unterbodenbereichen eingebaut, erhöhen sie die Torsionsfestigkeit. Dr. Karlheinz Füller, verantwortlich für Anwendungsentwicklung und Produktionseinführung bei Daimler, verriet dem Industrieanzeiger, dass bereits 2013 eine Strebe aus pultrudiertem CFK entwickelt wurde. Sie sollte die 9,4 kg schwere Vollstahlstrebe im SLS ersetzen. Die aufgeklebten metallischen Krafteinleitungselemente machten sie aber teuer. Kosten in Höhe von circa 1 Mio Euro/Jahr waren zu hoch für die Serie.
Anders sieht es nun bei der neuentwickelten Hybridstrebe aus. Mit 3 kg erzielt sie ein um 65 % niedrigeres Gewicht. Die Kosten wurden durch eine neuartige Integration von krafteinleitenden Buchsen reduziert. Man sei dabei, die Metallbuchsen durch gebohrte und gefräste Löcher zu ersetzen und durch selektive Carbonfaserverstärkung im Loch-Bereich zu verfestigen, erklärte Dr. Füller. Die erste Anwendung dieser „einzigartigen“ Hybridstrebe stehe bei AMG in den USA ab Februar 2017 in 35 000 SLS-Fahrzeugen an.
Den Großserienstart für 1,0 Millionen Mercedes-Pkw terminiert Füller erst für Juni 2020. Der Grund sind die Kosten der Carbonfaser (CF). Die gegenwärtigen CF-Preise resultieren in Bauteilkosten, die nicht unter 35 Euro/kg liegen und damit unwirtschaftlich sind.
Doch im Falle der Hybridstrebe sind Maßnahmen denkbar, die einen Einsatz doch noch möglich machen. Etwa das Integrieren von Buchsen, eine günstigere Carbonfaser (50 K), die aus Lignin- statt der üblichen Polyacrylnitril(PAN)-Faser produziert wird, und möglicherweise das Verwenden von unidirektionalen Basalt- statt Glasfasern. Damit könnten sich die Bauteilkosten unter 20 Euro/kg drücken lassen. Ein Wert, den Füller als „Schlüssel zur erstmaligen Produktion von CFK-intensiven Bauteilen in Großserien von über einer Million Fahrzeugen“ sieht.
Der Hybridstrebe traut er ein hohes Potenzial zu. Für Daimler produziert wird sie von Secar Technologie in Hönigsberg-Mürzzuschlag/Österreich. Dort läuft das „PulBraiding“-Verfahren mit 1,0 m/min Geschwindigkeit. Ein modifiziertes 1K-Epoxydharz als Matrix sorgt für eine Wärmebeständigkeit der Teile bis zu 150 °C. Eine BASF-Beschichtung trägt zur Erhöhung der Stahl/CFK-Haftfestigkeit bei.
Füller beschreibt die Hybridstrebe als ein „Leitprojekt für die Anwendung von CFK in Großserien“. Sie werde intensiv für Autositze untersucht. Daimler zielt auf einen Sitzunterbau als „Weltsitz, den niemand sieht“, sagt Füller. Auch in Nutzfahrzeugen könnten Hybridstreben künftig zum Zug kommen, ebenso wie in ganz anderen Branchen.
Die Hybridstrebe sieht Dr. Füller als eine Art Paradebeispiel für bestechende Ergebnisse, sobald Entwickler die Freiheit haben, unterschiedliche Werkstoffklassen im Materialmix in Erwägung zu ziehen. „Wenn Sie als Ingenieur nur mit Kunststoff befasst sind, gestalten Sie auch alles nur in Kunststoff“, erklärt er.
Mit „ganz anderen Branchen“ ist der Maschinenbau gemeint. Auch hier werden zunehmend Hybridleichtbauteile entwickelt und verwendet. Das dreijährige Projekt Forcim³a – „Forschungsverbund CFK/Metall-Mischbauweisen im Maschinen- und Anlagenbau“ – kam im Juli 2015 zum Abschluss, unterstützt von der Bayerischen Forschungsstiftung BFS. In diesem Projekt wurde der Prototyp eines CFK/Metall-Greiferarms als Teil einer hochdynamischen Maschinenumgebung entwickelt. Der Greiferarm besteht aus zwei CFK-Halbschalen, die mit Blech und anderen Edelstahlteilen wie einer linearen Kugelführung und Schraubverbindungen kombiniert sind.
Auch der VDMA fokussiert sich verstärkt auf hybride Technologien. Am 22. Januar 2016 gründete der Verband die Arbeitsgemeinschaft „Hybride Leichtbau Technologien“, in der die Arbeit des bereits 175 Mitglieder starken VDMA-Forums „Composite Technology“ aufgeht.

Hybrider Leichtbau: nur 1612 kg Trockengewicht

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Auf der New York International Auto Show 2016 im März hat Audi den neuen R8 Spyder V10 enthüllt. Zur Premiere schrieb der Hersteller: „Mit einem Trockengewicht von 1612 kg stellt der neue Audi R8 Spyder V10 eindrucksvoll das Dynamikpotential des automobilen Leichtbaus unter Beweis. Das Leistungsgewicht beträgt gerade einmal 3,19 kg pro PS. Hinter diesem Top-Wert steht der neue Audi Space Frame (ASF) in Multimaterialbauweise. Wie im R8 Coupé vereint er Bauteile aus Aluminium und strukturintegriertem carbonfaserverstärktem Kunststoff miteinander. Im ASF haben die Aluminiumteile einen Anteil von 79,6 %. Sie bilden ein Fachwerk, das die Audi-Ingenieure vor allem bei Schwellern, A-Säulen und Frontscheibenrahmen gezielt verstärkt haben. Insgesamt wiegt der ASF nur 208 kg, wobei seine Torsionssteifigkeit gegenüber dem Vorgängermodell um 50 % gestiegen ist.“
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