Multimaterialdesign Ultra-Leichtbaustrategie für zukünftige Automobile

Redakteur: Josef-Martin Kraus

Alternative Antriebskonzepte, steigende Sicherheitsstandards, zusätzlicher Fahrkomfort und die zunehmende Integration elektronischer Kommunikationstechniken machen Autos schwerer. Deshalb leitet die Automobilindustrie Gegenmaßnahmen ein. Audi löst die Aufgabe mit dem Ultra-Leichtbauansatz.

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Bild 2: Beim Ultra-Leichtbau setzt Audi auf die Space-Frame-Bauweise, basierend auf Bauteilen und Komponenten aus unterschiedlichen Leichtbauwerkstoffen.
Bild 2: Beim Ultra-Leichtbau setzt Audi auf die Space-Frame-Bauweise, basierend auf Bauteilen und Komponenten aus unterschiedlichen Leichtbauwerkstoffen.
(Bild: Audi)

Auf der Fachtagung Carbon Composites 2012 wird Dipl.-Ing. Claus Haverkamp, der bei Audi für Leichtbautechnologien und Karosseriekonzepte verantwortlich ist, den Ultra-Ansatz vorstellen. Unter der Bezeichnung „Audi ultra“ treibt der Automobilhersteller ein ganzheitliches Leichtbaukonzept voran, unter Berücksichtigung ökologischer und ökonomischer Randbedingungen. Ziel ist es, die heutigen Grenzen im automobilen Leichtbau zu verschieben. Dabei ist man bereits sehr erfolgreich gewesen. Beispiele dafür bieten die aktuellen Modelle A3 und A6. Sie sind jeweils bis zu 80 kg leichter als ihre Vorgänger (Bild 1).

Mehr als 650.000 Aluminiumkarossen in Space-Frame-Bauweise gefertigt

Beim Ultra-Leichtbaukonzept kann Audi auf die Erfahrung von weit über 650.000 gebauten Aluminiumkarossen in Space-Frame-Bauweise zurückgreifen. Als Pionier auf diesem Gebiet versteht Audi das Thema Leichtbau auch heute noch als eine Kernkompetenz des Unternehmens. Dennoch hat das Gesamtgewicht der Modelle in den Jahren 1990 bis 2005 zugenommen. Mit der Audi-Ultra-Karosserie beginnt man die Umkehrung der Gewichtsspirale. Sie liefert den größten Beitrag zur Gewichtseinsparung liefern, gefolgt vom Downsizing der Motoren und weiteren Sekundäreffekten wie leichtere Fahrwerkkomponenten, die zusätzliche Gewichtseinsparpotenziale erschließen.

Die Space-Frame-Bauweise trennt die Funktionen der einzelnen Karosserieelemente voneinander: Die Strangpressprofile überspannen die Räume, die Gussknoten verbinden die Bauteile, die Schalenelemente schließen die Räume und steifen das Fachwerk aus. Diese bauteilbezogene Aufteilung bildet die Basis für ein flexibles Leichtbaukonzept mit unterschiedlichen Materialien – nach dem Prinzip: „das richtige Material am richtigen Ort für eine optimale Funktion“. Nach Angaben von Haverkamp wird dieses Prinzip mit der Space-Frame-Bauweise „vorbildlich umgesetzt“. Dabei hilft die bionische Bauteilkonstruktion, eine Konstruktionsstrategie, die beanspruchungsoptimierte Vorbilder aus Natur zur Strukturoptimierung nutzt (Bild 2).

Space-Frame-Bauweise öffnet sich für weitere Leichtbauwerkstoffe

Für die Integration neuer Antriebstechniken „öffnet“ Audi die Space-Frame-Bauweise für weitere Leichtbau-Karosseriewerkstoffe. So werden beim Ultra-Leichtbaukonzept Komponenten aus hochfesten Stählen, Aluminium, Magnesium und faserverstärkten Kunststoffen miteinander kombiniert. Dazu ist die Entwicklung neuer Verbindungstechniken erforderlich. Noch bieten Strukturbauteile aus Magnesium und die Optimierung von Aluminiumlegierungen Potenziale zur Gewichtseinsparung, die Audi für die Ultra-Leichtbaukarosserie in den nächsten Jahren nutzen will (Bild 3). Mittelfristig, so der Leichtbauexperte im Karosseriebereich, werden ausgewählte Komponenten aus Faser-Verbundkunststoffen (FVK) verbaut, um die Automobilkarosserie steif, sicher und leicht zu machen (Bild 4).

Eine intelligente Funktionsintegration auf Bauteilebene sowie die Systemintegration auf Komponentenebene sorgt dabei für eine Wirtschaftlichkeit. In der Integralbauweise sollen die Antworten auf die Frage nach einem wirtschaftlichen Leichtbau mit zunächst als kostenintensiv erscheinenden Materialien liegen. Beispiele dafür sieht Haverkamp im Motorsport: Die Übertragung von Leichtbaulösungen vom Rennsport auf Serienfahrzeug sei ein weiteres Merkmal des Ultra-Leichtbaukonzepts von Audi.

Mehrgewicht von Antrieben im Rennsport kompensiert

So hat Audi erstmals im Rennsport das Mehrgewicht von Antrieben durch intelligenten Leichtbau kompensiert. Premieren waren der Einsatz von TDI-Dieselmotoren beim Sportwagen R10 und aktuell beim Audi R18 ultra mit Hybridantrieb (Bild 5). Beim Transfer der Ergebnisse in die automobile Serienfertigung arbeitet Audi mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie zusammen: von der funktionalen Auslegung über die Ausgangswerkstoffe und deren Verarbeitungsprozessen bis zur Integration in die Space-Frame-Bauweise des Ultra-Leichtbaukonzepts.

Die Fachtagung Carbon Compsites 2012 findet am 22. November in Augsburg statt. Veranstalter sind das CFK-Netzwerk Carbon Composites e. V. (CCeV) und das Industriemagazin MM Maschinenmarkt mit der Branchenpublikation MM Composites World.

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