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Leichtgewichtige Fahrzeuge sind entscheidend, um den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zu senken und die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erh?hen. Eine Verringerung des Fahrzeuggewichts um 10% kann den Kraftstoffverbrauch um 6-8% senken und die Kohlendioxidemissionen verringern. ^[1]. Die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bedeutet auch eine Verringerung der Emissionen, was der ?kologischen Nachhaltigkeit zugute kommt.

Abgesehen vom geringeren Kraftstoffverbrauch und der gr??eren Reichweite kann die Leichtbauweise die Leistung eines Fahrzeugs, einschlie?lich Bremsen, Handling und Beschleunigung, erheblich verbessern. Au?erdem werden durch die Leichtbauweise die Aufh?ngung, die Bremsen und die Reifen weniger belastet, was den Verschlei? verringert. Langfristig gesehen halten diese Teile l?nger und müssen seltener gewartet werden.

Wie k?nnen die Hersteller also Automobilteile leichter machen? Kann dies erreicht werden, indem man einfach die herk?mmlichen Werkstoffe durch leichte Alternativen ersetzt, oder erfordert dieses Ziel ein Umdenken bei der Konstruktion von Automobilteilen?

Entlarvung des “Einsteiger-Mythos” im Leichtbau

Es gibt viele Irrtümer im Zusammenhang mit der Herstellung leichter Automobilteile. Eine Lehrmeinung besagt, dass Leichtbau durch die Wahl des Materials erreicht werden kann. Mit anderen Worten: Ein Auto kann leichter werden, indem man einfach auf leichtere Materialien umsteigt.

Aufgrund dieses Missverst?ndnisses betrachten sie Fertigungsprozesse wie Automobil-Spritzgie?en, Werkzeugeund CNC-Bearbeitung die Rolle von “Arbeitern”, die einem vorgegebenen Plan folgen. Die zweite Denkschule besagt, dass die Verwendung leichterer Materialien die Sicherheit beeintr?chtigt. Keine der beiden Denkschulen über den Leichtbau von Fahrzeugen ist richtig.

Es hat sich gezeigt, dass moderne Verbundwerkstoffe eine bessere Crash-Sicherheit bieten ^[2]. Sie absorbieren Aufprallenergie effektiver als die in herk?mmlichen Fahrzeugen verwendeten Metalle.

Leichtbau in der Automobilindustrie durch Spritzgie?en

Zweifelsohne spielt die Wahl des Materials eine wichtige Rolle beim Leichtbau. Optimale Festigkeit und Form lassen sich jedoch fast g?nzlich ohne Gewichtszunahme durch Konstruktionsoptimierung und innovative Fertigungsverfahren wie folgt erreichen:

1. Aush?hlung von Abschnitten zur Senkung des Materialverbrauchs

Sperrige Teile k?nnen so gestaltet werden, dass sie innen hohl sind. Dieser Hohlraum wird in der Regel erreicht durch gasunterstütztes Spritzgie?en oder Sch?umen. Beim physikalischen Sch?umen wird zum Beispiel Stickstoff oder Kohlendioxid in den geschmolzenen Kunststoff eingespritzt. Das Gas bewirkt die Ausdehnung des geschmolzenen Kunststoffs in der Form. Der geschmolzene Kunststoff schlie?t die Gasblasen ein, wodurch eine innere Struktur entsteht, die por?s ist und einem Schaum ?hnelt.

H?ufig wird auch chemisches Sch?umen verwendet, bei dem dem Harz ein chemisches Treibmittel (CBA) wie Azodicarbonamid (ADC) und Natriumbicarbonat oder Zitronens?ure zugesetzt wird. Beim Erhitzen zersetzt sich das CBA und setzt Gas frei, um den gleichen Effekt wie beim physikalischen Sch?umen zu erzielen. Beim Aufsch?umen entsteht eine feste Au?enhaut und ein schaumartiger Kern. Dies senkt den Materialverbrauch und tr?gt dazu bei, dass das Produkt leicht bleibt, ohne die Formstabilit?t zu beeintr?chtigen.

2. Verwendung von Rippen zur Erg?nzung dünnwandiger Strukturen

Ein weiteres wichtiges Verfahren im Automobilleichtbau ist der Einsatz fortschrittlicher Fertigungstechniken (wie Dünnwandspritzguss und Vakuumformung) zur Herstellung von Teilen mit dünneren W?nden (<1 mm Dicke), wobei die strukturelle Integrit?t des Teils erhalten bleibt.

Bei dieser Spritzgusstechnik werden hoher Druck, hohe Geschwindigkeiten (>1000 mm/s) und fortschrittliche Maschinen eingesetzt, um eine ordnungsgem??e Füllung der dünnen Hohlr?ume zu gew?hrleisten. Dünne W?nde werden in der Regel unterstützt durch Rippen und Zwickel um Steifigkeit und Festigkeit zu gew?hrleisten, wo diese Eigenschaften erforderlich sind. Rippen k?nnen auch Defekte verhindern wie Einfallstellen.

3. Konsolidierung von mehreren Teilen

Wenn ein Kfz-Teil aus mehreren Komponenten besteht, muss jede der verschiedenen Komponenten zusammengeschwei?t oder befestigt werden. Das Schwei?- oder Befestigungsmittel erh?ht schlie?lich das Gewicht des fertigen Teils. Bei der Leichtbauweise werden zu komplexe Teile so umgestaltet, dass sie leichter in einem einzigen Spritzgussverfahren hergestellt werden k?nnen.

Durch die Konsolidierung mehrerer Teile zu einer einzigen geformten Einheit entf?llt der Bedarf an sekund?ren Befestigungselementen wie Nieten und Bolzen, wodurch das Gewicht des Teils reduziert wird. Die Formen für die Herstellung von Schnapphaken-Designs die bei der Montage keine zus?tzlichen Befestigungsmittel erfordern, müssen m?glicherweise zus?tzlich Heber oder Schieberegler, was ihre Kosten potenziell erh?hen wird. Weitere Vorteile der Teilekonsolidierung für den Leichtbau in der Automobilindustrie sind:

• Die Herstellung von Strukturen aus einem einzigen durchgehenden Teil hat in der Regel eine h?here strukturelle Integrit?t als die Herstellung aus mehreren zusammengesetzten Teilen, die an den Verbindungsstellen Schwachstellen aufweisen k?nnen.
• Die Konsolidierung erm?glicht es den Herstellern, mehr Teile mit weniger Arbeitsaufwand und zu geringeren Kosten herzustellen.

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Automobil-Leichtbau mit CNC-Bearbeitung

Die computergesteuerte Bearbeitung (Computer Numerical Control Machining, CNC Machining) ist eine der g?ngigen subtraktiven Fertigungsmethoden. Bei diesem Fertigungsverfahren steuert eine vorprogrammierte Software eine Werkzeugmaschine, um einen Materialblock (Holz, Kunststoff oder Metall) pr?zise in ein gewünschtes Teil oder Produkt zu schneiden.

Die hohe Pr?zision des Bearbeitungswerkzeugs macht diese Technik für die Erstellung komplexer Designs nützlich. Au?erdem schlie?t der hohe Automatisierungsgrad menschliche Fehler und Eingriffe aus, was den Herstellern helfen kann, Arbeitskosten zu sparen. Zu den g?ngigen Leichtbaukomponenten für die Automobilindustrie, die mit dieser Technik hergestellt werden, geh?ren:

• Komponenten und Kühlsysteme für Elektromotoren
• Fahrwerk und Aufh?ngungen, einschlie?lich Querlenker und Halterungen
• Teile des Motors, einschlie?lich Motorblock, Kolben, Zylinderk?pfe und Kurbelwellen

Einer der Gründe, warum die CNC-Bearbeitung für die Leichtbauweise so wichtig ist, liegt in der Vielseitigkeit der Materialien. Sie kann für die Herstellung von Teilen aus verschiedenen Materialien verwendet werden, darunter Aluminium, Kohlefaser, Titanlegierungen, Magnesium und andere spezielle Kunststoffe. Diese Materialien werden h?ufig aufgrund ihres Verh?ltnisses von Festigkeit zu Gewicht ausgew?hlt.

Bei der Entwicklung optimierter Leichtbaukomponenten ist eine hohe Ma?genauigkeit unerl?sslich. Ungenauigkeiten bei den Abmessungen k?nnen die Leistung, Funktionalit?t oder strukturelle Integrit?t des Produkts oder Teils beeintr?chtigen. Mit der modernen mehrachsigen CNC-Bearbeitung, z. B. mit 5-Achsen-Maschinen, lassen sich komplexe mehrdimensionale Teile herstellen. Zu den fortschrittlichen Leichtbaukonstruktions?nderungen, die durch CNC-Bearbeitung erreicht werden k?nnen, geh?ren:

• Komplexe Hohl- oder Innenkan?le: Bei der Konstruktion von Hohlprofilen von Kraftfahrzeugteilen wie Motorkomponenten und Kühlblechen wird die CNC-Bearbeitung eingesetzt, um Materialien aus den inneren Komponenten so pr?zise zu entfernen, wie es manuell praktisch nicht m?glich ist. Bei der Herstellung von Leichtbauteilen für Kraftfahrzeuge kann diese Technik eingesetzt werden, um Bereiche auszuh?hlen, in denen keine Festigkeit erforderlich ist, und so das Gewicht des Teils zu verringern.
• Herstellung von Teilen mit engen Toleranzen: Mit der CNC-Bearbeitung kann ein extremes Ma? an Pr?zision (etwa ±0,01 mm), Genauigkeit und Konsistenz erreicht werden. Dieses erh?hte Ma? an Pr?zision gew?hrleistet, dass jedes Teil perfekt passt, was die Sicherheit durch die Verwendung der geringstm?glichen Materialst?rke erh?hen kann.

Die hohe Pr?zision der CNC-Bearbeitung optimiert die Produktion in einer Weise, die den Materialabfall im Vergleich zu anderen traditionellen Methoden reduziert. Dies ist besonders nützlich für den Leichtbau in der Automobilindustrie, bei dem hochleistungsf?hige und teure Materialien verwendet werden.

Automobiler Leichtbau durch hybride Fertigung

Hybridfertigung ist ein Begriff, der die Kombination verschiedener Fertigungstechniken zur Herstellung leichter Teile beschreibt. Zum Beispiel wird die CNC-Bearbeitung (ein subtraktives Fertigungsverfahren) gepaart mit 3D-Druck (ein additives Fertigungsverfahren) zur Herstellung komplexer, leichter Teile mit engen Toleranzen, die mit einem der beiden Verfahren nur schwer zu erreichen w?ren.

Hybride Fertigung mit 3D-Druck und CNC-Bearbeitung

Bei der hybriden Fertigung werden die sich erg?nzenden St?rken der einzelnen Techniken in Bezug auf Materialeffizienz, Design und Endbearbeitung genutzt. Eine g?ngige hybride Leichtbauweise kombiniert die St?rken von 3D-Druck und CNC-Bearbeitung.

Mit dem 3D-Druck lassen sich hochkomplexe Innengeometrien wie Hohlkan?le oder Gitter herstellen. Die hybride Fertigung er?ffnet ein Ma? an Designfreiheit, das von anderen Verfahren nicht erreicht wird. Die gr??te St?rke dieses additiven Fertigungsverfahrens liegt in der Herstellung solcher komplexer Innengeometrien ohne Beeintr?chtigung der strukturellen Integrit?t. Allerdings ist es bei der Toleranz und der Endbearbeitung nicht so gut.

Daher wird nach dem 3D-Druck des Hohlk?rpers aus einem leichten Material in der Nachbearbeitung eine CNC-Bearbeitung vorgenommen, um die gewünschte Toleranz und extreme Pr?zision (±0,002 mm) in der Innenstruktur und eine glatte Oberfl?chenbeschaffenheit auf der Au?enseite (Ra0,4μm). Weitere Vorteile des hybriden Leichtbauverfahrens mit 3D-Druck und CNC-Bearbeitung sind:

• St?rkere Reduzierung des Materialabfalls: Mit Hilfe des 3D-Drucks wird zun?chst die Hohlform erstellt, und bei der CNC-Bearbeitung muss nur ein Minimum an Material entfernt werden, was Abfall und Kosten reduziert.
• Schnellere Produktionszyklen: Da 3D-Druck und CNC-Bearbeitung automatisiert werden k?nnen, entf?llt durch die Kombination beider Verfahren die manuelle Bewegung von Teilen, die den Fertigungsprozess verlangsamen kann.
• Rationalisierung des Produktionsprozesses: Eine integrierte Software verwaltet beide Prozesse und hilft so, Ineffizienzen und Fehler zu vermeiden.

Hybride Leichtbauweise mit 3D-Druck und Spritzgie?en

Der 3D-Druck wird h?ufig mit dem Spritzgussverfahren kombiniert, insbesondere beim Voxelfill-Verfahren ^[3]. Das Verfahren wurde von AIM3D entwickelt und patentiert. Das Voxelfill-Verfahren nutzt einen zweistufigen Herstellungsprozess, um die mit der Z-Achse verbundenen Schw?chen von schichtweise gedruckten 3D-Teilen wie folgt zu überwinden:

• Der erste Schritt ist die Erstellung der Gitterstruktur mittels 3D-Druck: Die Struktur, die einer Wabe ?hnelt, wird mit einem Extrusionsmodellierungssystem für Verbundwerkstoffe 3D-gedruckt.
• Der zweite Schritt ist die Füllung des Gitters oder Voxel-Füllung: Mit einem Extruder wird thermoplastisches Material in die inneren Hohlr?ume des Gitters gespritzt. Das Füllmaterial kann aus Schaumstoff bestehen und soll die Steifigkeit und Festigkeit erh?hen, ohne das Gewicht zu erh?hen.

Die Zukunft der Leichtbauweise liegt im Multi-Material-Design (MMD). Anstelle einer pauschalen Substitution von Material wird bei MMD das beste Material für eine bestimmte Anforderung strategisch an der richtigen Stelle eingesetzt. So kann beispielsweise hochfester Stahl in Bereichen eingesetzt werden, die eine hohe Crashsicherheit erfordern, w?hrend Aluminium in Au?enverkleidungen verwendet wird, bei denen die Gewichtsreduzierung im Vordergrund steht.

Referenzen

[1] U.S. Department of Energy. (n.d.). Leichte Materialien für Pkw und Lkw. Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien.

[2] Universit?t von Tennessee Knoxville. (2023, 27. Februar). Doktorand testet Crash-Tauglichkeit von Verbundwerkstoffen in noch nie dagewesener Tiefe. Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen.

[3] Engineering.com. (2022, 24. Oktober). Was ist das Voxelfill-Verfahren? Technik.com.