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Karosseriebau: Moderne Werkstoffe

Hin zum Materialmix

 

Nach Jahrzehnten ungehemmter Gewichtszunahmen ist Leichtbau das Thema der Zeit: leichtere Karosserien sind vorrangiges Ziel.


  • Von der Monokultur zum Materialmix

    In der guten alten Zeit, wann immer diese auch gewesen sein mag, genügte nur ein Werkstoff für die gesamte Karosserie: Erst Holz, dann Stahl, selten Aluminium. Allerdings waren die Karosserien in den wenigsten Fällen materialrein, immer war ein kleiner Prozentsatz anderer Werkstoffe mit im Spiel.

    Besonders heute geht es nicht mehr darum, sich auf einen Werkstoff zu versteifen, sondern den am besten geeigneten an der richtigen Stelle einzusetzen. Das förderte den Wettbewerb mit der Folge, dass es bei Stahl und Aluminium in den letzten Jahren zu beachtlichen Weiterentwicklungen gekommen ist.

    Die Gesamtenergiebilanz bei Stahl und Aluminium ist jedoch eher ungünstig, weil zur Erzeugung und Verarbeitung sehr viel Energie benötigt wird. Einfacher erscheint dieses bei Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen, die heute im Mittelpunkt der Forschung stehen.

    So werden bereits Organobleche eingesetzt, endlosfaserverstärkte, thermoplastische Kunststoffe, und Hybridwerkstoffe, mit thermoplastischen Kunststoffen hinterspritzte Metallprofile. Die eher filigranen Stahl- oder Alu-Profile werden dabei vom Kunststoff formschlüssig umgeben und bieten neben der nötigen Festigkeit Verbindungs- und Einbaumöglichkeiten für Kabel- oder Heizkanäle, Befestigungszapfen und Aufnahmen für alle denkbaren Teile.

    Geschäumte Metalle sind knochenähnlich aufgebaut: In hohlen Metallstreben befindet sich poriges Metall, das mit Treibmitteln aufgeschäumt wird. Der neuartige Karosseriewerkstoff kombiniert niedriges Gewicht mit hoher Festigkeit, befindet sich jedoch noch im Versuchsstadium.


  • Die Forschung schreitet weiter voran

    Thermoplasten, schmelzbaren Kunststoffen, werden Füllstoffe zugemischt, um die Festigkeit zu erhöhen. Füllstoffe aus Glasfasern oder Graphit erhöhen zwar die Qualität, dummerweise aber auch das Gewicht, womit der Leichtbauvorteil gegenüber rein metallischen Werkstoffen schwindet. Deshalb sollen in Zukunft nanoskalige Füllstoffe zugegeben werden. Sie ergeben gegenüber „konventionellen“ Kunststoffbeimischungen Gewichtsvorteile und bessere Oberflächenqualität und Verarbeitungseigenschaften.

    Geforscht wird zurzeit an Nanoclays, Tonmineralien mit einer Größe von wenigen Nanometern, an Kohlenstoff-Nanoröhrchen und an Kohlenstoff-Nanofasern, Makromoleküle aus Kohlenstoff. Die ersten Versuchsfahrzeuge mit nanobehandelten Außenteilen laufen bereits.

    Im Sinne nachhaltigen Wirtschaftens gewinnen Fasern aus nachwachsenden Rohstoffen mehr und mehr an Interesse. Statt der künstlich hergestellten Glas- oder Carbonfasern werden Bioverbunde überwiegend aus pflanzlichen Rohstoffen gefertigt. Dabei dienen Flachsgewebe und Polymere auf Basis von Lein- und anderen Pflanzenölen als Ausgangsmaterialien. Hutablagen, Instrumententafeln und Türinnenverkleidungen aus Bio-Kunststoff-Verbünden werden bereits hergestellt, Außenteile wie Motorhauben sind in Erprobung.

    Im Innenbereich von Karosserie und Fahrwerk finden Vliesstoffe Verwendung, textile Flächengebilde aus zunächst lose abgelegten Fasern oder Filamenten, die anschließend verfestigt werden. Vliesstoffe werden eingesetzt als Seitenteile oder Türtafeln sowie als Radlaufschalen, Unterfahrschutz oder Motorabdeckungen.


  • Zurück zu den Wurzeln?

    Vorherrschend im Karosseriebau sind nach wie vor Stahlbleche, die auch in Zukunft eine große Rolle spielen dürften. Denn neben schnellen Taktzeiten bringen neu entwickelte hochfeste und höchstfeste Stahlsorten bei erhöhter Festigkeit weniger Gewicht auf die Waage. Doch der Stahlanteil einer Karosserie wird sinken zugunsten von mehr Anteilen an Aluminium, Magnesium, Edelstahl, glasfaserverstärkten (GfK) und kohlefaserverstärkten (CfK) Kunststoffen sowie Verbund-Materialien.

    Vor allem im CfK, der übrigens auch eine teure Tauchlackierung überflüssig macht, sieht die Autoindustrie den Heilsbringer schlechthin, muss doch das Mehrgewicht der Batterien zukünftiger Elektro-Fahrzeuge kompensiert werden. Das ist mit Leichtbaustählen und dem bisher üblichen Materialmix wohl nicht möglich.

    Die neuen Materialien und die neuen Antriebstechniken wie Elektro, Hybrid und Brennstoffzelle werden auch zu einer neuen Fahrzeugarchitektur führen: Statt einer zentralen Kraftquelle (Verbrennungsmotor) mit mechanischer Kraftübertragung zu den Rädern über Getriebe, Kardan- oder Antriebswellen können Elektromotor, Energiespeicher, Leistungselektronik und Reichweitenverlängerer (Range Extender) beliebig im Fahrzeug, der E-Antrieb direkt an den Rädern angeordnet werden.

    Da empfiehlt sich ein von der Karosserie getrennter Etagenrahmen. Einen solchen Sandwich-Rahmen, auf den die Karosserie aufgesetzt wird, hatte General Motors mit den Konzeptautos Hy-Wire 2002 und AUTOnomy 2003 vorgestellt. Die im Hohlrahmen untergebrachten Aggregate wie Antrieb, bestehend aus Brennstoffzelle, E-Motor und Getriebe, sowie Lenkung und Bremsen funktionierten elektrisch (By-Wire-Technik), die Karosserie war lediglich über Gummilager und mit einer elektrischen Nabelschnur mit dem Rahmen verbunden.

    BMW verfolgt mit den ab 2013 geplanten i-Modellen mit Trennung von Fahrwerk-Modul (Aluminium) und Aufbau-Modul (Carbon) eine ähnliche Strategie, d.h. Abkehr von der selbsttragenden Karosserie und zurück zur Rahmen-Karosserie-Bauweise – wie in der guten alten Zeit, nur eben eleganter und technisch anspruchsvoller. 
     

    Erik Eckermann

     

     

    Bildquelle: Volkswagen AG, Archiv Eckermann


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