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Hybridleichtbau: Hybride Karossen erobern die Straße

Hybridleichtbau
Hybride Karossen erobern die Straße

Aus Demonstratoren werden Konzepte, aus Konzepten werden Serien: Die Phase hat begonnen, in der hybride Leichtbaulösungen in neue Modelle einfließen, die demnächst auf die Straße kommen. Wir haben die Indizien gesammelt – größter Treiber ist die Elektromobilität.

David Vink
Freier Fachjournalist in Mettmann

Die von Daimler entwickelte Polymer-Metall-Hybrid-Technologie (PMH) breitet sich zunehmend aus. Das Verfahren kombiniert das Innenhochdruckumformen (IHU) eines rohrförmigen Aluminiumprofils mit dem Überspritzen durch Kunststoff. Zuerst wurde es im Mercedes-Werk Hamburg angewandt. Zulieferer ElringKlinger führte die hybride Leichtbaumethode in Lizenz auch in seinen Werken Suzhou (China) und Leamington (Kanada) ein und suchte schon 2015 nach weiteren Anwendern unter den Automobilherstellern. Erst kürzlich am 30. Januar 2018 berichtete der Zulieferer von einem weiteren Serienauftrag „im zweistelligen Euro-Millionen-Bereich“. Es handelt sich um PMH-Cockpitquerträger für das Premium-SUV des Elektrofahrzeugs „Byton“ des neuen chinesischen Unternehmens FMC (Future Mobility Company).

FMC hatte dieses Modell im Januar auf der Consumer Electronics Show (CES) 2018 in Las Vegas präsentiert. Entwickelt wurde die Byton-Komponente in den ElringKlinger-Technikzentren in Fremont/Kalifornien und Süddeutschland. Schon 2019 will ElringKlinger mit der Produktion des PMH-Cockpitquerträgers in Suzhou beginnen, und noch im gleichen Jahr soll das SUV auf den Markt kommen. Beide Vertragspartner streben an, die PMH-Technologie auch in den Byton-Modellen zu nutzen, die künftig noch auf den Markt kommen.

Bei der Bekanntgabe der Vereinbarung ließ ElringKlinger durch eine weitere Information erkennen, dass die hybride Leichtbauweise längst eine Erfolgsgeschichte im Konzern schreibt: Seit Mitte 2017 produziert nun auch ein US-Standort PMH-Teile, die ElringKlinger Silicon Valley Inc. in Fremont/Kalifornien.

Auch faserverstärkte Kunststoffrohre lassen sich in Zukunft innenhochdruckumformen

Während die PMH-Technologie zunehmend kommerziell genutzt wird, ist Daimler an der Erforschung eines weiteren Verfahrens beteiligt, in dem IHU die zentrale Rolle spielt: In einem Projekt mit der Universität Chemnitz und dem Fraunhofer IWU werden faserverstärkte Kunststoffrohre anstelle von Aluminiumrohren mittels Innenhochdruck umgeformt. Da Polymere Wasser aufnehmen, dient nicht mehr eine wasserhaltige HFA-Öl/Wasser-Emulsion als Druckmedium, sondern Stickstoff. Das Gas kommt mit einem Druck von 35 MPa aus einer Maximator-Anlage.

Verbundwerkstoff-Hersteller Hexcel präsentierte ein neuartiges Federgelenk auf dem VDI-Kongress „Kunststoffe im Automobilbau 2017“ und auch auf der Messe Composites Europe 2017. Das Hybridgelenk mit Aluminium als Metallkomponente weist eine 26 % höhere Steifigkeit auf als die Vollaluminium-Variante – und das bei nur geringfügig höherem Teilevolumen. Das Federgelenk verbindet obere und untere Aufhängungskomponenten einer Radträgerbaugruppe und fungiert als Radspindel oder Nabenbefestigungspunkt.

Produziert wird das hybride Federgelenk in Frankreich: Auf dem Aluminium-Basisbauteil bringt St. Jean Industries endkonturnahe Prepreg-Preformstapel HexPly M77 auf. Dies geschieht durch Formpressen. Für zusätzliche Haftung sorgt der schnellhärtende Folienkleber Redux 677. Beide Werkstoffe härten in dem Prozess „Hybrid-iPreform GFK-Patch“ bei 150 °C innerhalb von 2 min aus.

Preform-Technik soll deutlich günstiger werden

Erhältlich sind die 2D-Preformstapel von Hexcel auf Basis unterschiedlicher Fasern und Gewebe. Sie lassen sich beispielsweise auch als Verstärkung auf Metall-Karosserieteile wie Seitenschweller aufbringen. Auf der VDI-Tagung sprach Hexcel von einer neuen Generation von Preforms, mit der sich die Kosten gegenüber dem heutigen Stand der Technik halbieren lassen. Laut Denis Granger, Automotive Sales Development Manager bei Hexcel, setzt BMW das Verfahren bereits in der Serie ein. Der OEM produziert mit „Hybrid-iPreform GFK-Patch“ täglich 500 B-Säulen für die 7er-Reihe.

Ebenfalls auf der Composites Europe 2017 zeigte Evonik eine B-Säule aus Stahl, verstärkt mit Vestanat PP. Dabei handelt es sich um ein bindemittelfreies Preform-Material auf Polyurethan(PU)-Basis. Evonik entwickelte die Rezeptur, um Composites mit Prepregs kontinuierlich verarbeiten zu können anstatt chargenweise (wie im konventionell verwendeten RTM-Prozess mit aufwändiger Harzinfusion). Der Clou ist eine spezielle Kombination von Katalysatoren. Sie sorgen dafür, dass Vestanat PP bei Raumtemperatur nicht klebrig wird und zehn Wochen lagerstabil bleibt. Roboter können das Material gut handhaben. Ab 80 °C lässt es sich thermoplastisch verformen und vernetzt erst in einer Presse ab 140 °C, bei 190 °C zum Beispiel binnen 2 min. Verglichen mit traditionellen Preforms auf Epoxidharz-Basis ist das ausgehärtete Vestanat PP duktiler, UV-beständiger und erzeugt eine bessere Oberflächenqualität, sagt Evonik.

Hybride Radfangstreben reduzieren
Gewicht um die Hälfte

In Juni 2017 veranstalteten der VDI und der Carbon Composites e.V. (CCeV) erstmals einen gemeinsamen Leichtbaukongress für die Automobilindustrie, in dem sie ihre Veranstaltungen verschmelzten, „um Synergien zu nutzen“. Premiere feierte auf dem Kongress auch der VDI Leichtbau Award. Er ging an Daimler für den intelligenten Material-Mix im Mercedes-Sportwagen AMG GT R aus Magnesium, Aluminium und CFK (Carbonfaser-verstärkter Kunststoff). Als CFK-Technologieträger reduziert er das Gesamtgewicht um 12 kg, trotz umfangreicher Mehrausstattung. Zu den CFK-Teilen gehörten die Antriebswelle und ihr „Torque-Tube“ in Carbon-intensiver Bauweise, außerdem das Dach in Sichtcarbon, online KTL-lackierbare Kotflügel, Hinterspoiler und ein Tunnelkreuz im Motorraum.

Details nannte Dr. Karl-Heinz Füller, Leiter Hybridmaterialien und Konzepte bei Daimler, im Vortrag „Intelligenter Leichtbau mit Composites – leicht ist zu wenig!“ Unter anderem ging er auf die pultrudierten CFK/GFK-Metall-Streben in AMG-Fahrzeugen (SLS und C-Klasse) ein, über die wir schon 2016 berichteten, sowie auf Radfangstreben, die aus Stahlblech und Kork bestehen und mit GFK ummantelt sind.

Im AMG GT R ersetzen diese hybriden Radfangstreben eine lackierte Stahlkonstruktion und sparen 50 % Gewicht ein. Gegenüber einer Vollcarbonbauweise bieten sie den Vorteil, dass sie „bei guter Festigkeit deutlich weiter verformbar sind“. Bei einem Unfall hat die Radfangstrebe die Funktion, Vorderräder zum Längsträger zu führen und dort zu blockieren.

Daimler jongliert mit unterschiedlichen Rückwand-Bauweisen

Spannend erweist sich, wie Daimler mit unterschiedlichen Rückwand-Konstruktionen umgeht. Auf dem VDI-Kongress 2016 präsentierte Formenbauer Siebenwurst eine hybride Kunststoff/Metall-Rückwand, konzipiert für die Mercedes A-Klasse. Ob sie in Serie ging, war nicht klar. Auf dem Leichtbaukongress 2017 zeigte Dr. Füller, wie eine ähnliche Komponente in der Mercedes AMG S-Klasse durch eine 2-schalige Rückwand aus CFK ohne Metall substituiert wurde. Die Carbon-Variante ist mit 3 kg deutlich leichter als die hybride Rückwand (5,9 kg), die sie ersetzte. Im Februar 2018 wiederum präsentierte Siebenwurst auf dem IKV-Kolloquium erneut eine hybride Rückwand, diesmal konzipiert für die Mercedes S-Klasse. Mitarbeiter betonten, dass sie mehr sei als ein Prototyp und in Serie produziert werde. Nicht zu verwechseln mit der Carbon-Rückwand der Mercedes AMG S-Klasse. Bei ihr, so erklärte Füller, gaben wirtschaftliche Gründe den Ausschlag: Im Selective Prepreg Process sei es gelungen, die Zykluszeit auf 1 min zu drücken. Dazu habe ein schnell aushärtendes Harz und das Trennen von Infiltrier- und Aushärtungsstufen verholfen.

Nicht weniger spannend geht es bei Volkswagen zu. Philipp Dreessen von der VW-Tochter Sitech Sitztechnik berichtete auf dem Leichtbau-Kongress 2017, wie es mit der Rückenlehne weiterging, die in der Open Hybrid Lab Factory (OHLF) in Wolfsburg entwickelt wurde – wir berichteten darüber im Industrieanzeiger. Bei der hybriden Konstruktion aus Stahl und spritzgegossenem GF30-PA6 stellte sich die Frage, wie die Kunststoff-Metall-Haftung verbessert werden könnte – durch einen Co-Haftvermittler Hylink von Evonik, durch eine Laserstrukturierung oder durch eine PP-basierte Folie von Nolax aus dem Schweizer Ort Sempach Station. Untersuchungen zeigten nun, dass bei semi-statischen und dynamischen Torsionsprüfungen die Folienlösung am besten abschneidet.

Ziel ist und bleibt die Gewichts- und Kostenreduzierung. Mit 2 kg wiegt die Hybridlehne aus dem OHLF 30 % weniger als das heute verwendete Stahlteil (2,85 kg) – ohne Mehrkosten. Noch einmal geringfügig weniger wiegt Magnesiumguss (1,83 kg), kostet aber mehr. Für Dreessen kommen mehrere Szenarien in Betracht, um die Struktur in die Serie zu überführen.

Aluminium und Composites schützen gemeinsam Batterien

Auf der IAA 2017 zeigte Röchling Automotive ein leichtes Gehäuse-Konzept für Batterien in elektrisch angetriebenen PKW. Bei diesem Konzept wird Stratura Hybrid, ein langglasfaserverstärkter Thermoplast (LWRT) mit mikroperforierten Aluminiumschichten, in einen Aluminiumrahmen eingebunden. Bei einer Kollision komme es zu keinem Splittern und Brechen, betont Röchling. Die Aufprall-Energie werde vom Rahmen so dissipiert, dass die Batterie geschützt bleibe.

Einige OEM ordnen die Batteriemodule in der Form eines liegenden T im Auto an, um im Falle eines Seitenaufpralls eine große Knautschzone zu haben. Diese Maßnahme sei überflüssig mit dem Stratura/Aluminiumkasten-Konzept, heißt es bei Röchling. Das hybride Gehäuse sorge daher für zusätzliche Design-Freiheit und erlaube den Einbau eines größeren Akkus. Die Stratura-Verbundplatte wiegt weniger als Abdeckungen aus Stahl oder Aluminium und bietet hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) vor potenziell schädlichen Magnetfeldern, so Röchling.

Harzproduzent Huntsman stellte auf der Composites Europe 2017 ein hybrides PKW-Rad vor, bestehend aus CFK, Aluminium und Titan. Produziert wird das „Boxtrom” durch die Dymag Group UK Ltd in Großbritannien. Das mit einer CFK-Felge ausgestattete Rad wiegt 9,1 kg und sei damit 25 % bis 40 % leichter als Vollaluminiumräder, wie es heißt. Auch die Massenträgheitsmomente sind erheblich niedriger. 2016 und 2017 auf den Markt gekommen, wurden die Mischbau-Räder zunächst als Nachrüsträder für den Straßenverkehr zugelassen.

Die hybriden Konzepte bringen auch Vorteile für Industrien außerhalb des Automobilbaus. Auf der Stuttgarter Composites-Tagung ICC 2017 zeigte Kai Steinbach vom LeichtbauZentrum Sachsen (LZS) das Beispiel eines Transferhebels für Verpackungsmaschinen, der bisher aus Aluminium gefräst wurde. Die Leistung der Maschinen hängt von der Beweglichkeit, Steifigkeit und genauen Positionierung des Hebels ab – Carbon ist also ein Thema. Wirtschaftlichkeitserwägungen stehen aber auch hier im Vordergrund. Werden nur 100 Hebel im Jahr benötigt, so macht der Werkzeugbau einen reinen CFK-Hebel um 63 % teuer, erklärte Steinbach.

Hybrider Transferhebel macht Verpackungsmaschinen schneller

„Moderate“ Mehrkosten von nur 25 % verursache hingegen ein hybrider CFK-Aluminium-Hebel, wie ihn das LZS mit dem Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden entwickelt hat. Das Plus an Leistung spricht für den Hybridhebel: Eine um 30 % höhere Bewegungsfrequenz mit 1000 statt 700 Takten/Minute, eine höhere Genauigkeit und 20 % weniger Durchbiegung der Spitzen machen ihn gegenüber dem konventionellen Vollaluminiumhebel überlegen.

Beispiel Schiffsbau. Auf der Composites Europe 2017 sprach die Textilingenieurin Thu Trang Nguyen von Fritz Moll Textilwerke über das Projekt Fausst (Faserverbundwerkstoff und Stahl-Standard-Verbindung). Unter der Leitung des Center of Maritime Technologies e.V. (CMT) in Hamburg läuft es noch bis April 2018. Fausst zielt auf die Erzeugung von leichten, lastragenden Verbindungen von Stahl mit Faserverbund-Kunststoff (FVK). Dafür wird eine aus Stahl- und Glasfasern gewobene Textilie auf eine Stahlplatte geschweißt und mit FVK laminiert. Erste Tests sollen die hohe Belastbarkeit der Struktur bestätigt haben.

Auch im Projekt Future (Funktionale Textilien und Reproduzierbare Prozesse) der TU Kaiserslautern werden Stahlfasern verwendet, hier in Kombination mit Carbonfasern. Die hybriden, unidirektionalen Bänder (Tapes) dienen dazu, „schadenstolerante und elektrisch leitende Leichtbaustrukturen“ aus FVK zu realisieren. Projektpartner sind unter anderen Airbus, der Textilhersteller Technische Textilien und Textilmaschinenbauer Karl Mayer.

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