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Am Abspecken kommt keiner vorbei

Grösste Herausforderung seit der Erdöl- und Energiekrise der 70er Jahre ist die Notwendigkeit der Gewichtsreduktion. Das gilt übrigens nicht nur für das Automobil, sondern für praktisch alle Verkehrsm

Von Werner A. Stelzer
am 04.12.2002

Der Inbegriff der zeitgemässen individuellen Mobilität ist und bleibt das Automobil. War es noch vor einigen Jahren Zielscheibe vieler ökologisch oder gesellschaftspolitisch motivierter Kritiker, wird ihm heute kaum mehr der Platz im Mix der Transportsysteme und Verkehrsmittel strittig gemacht.

Daran, dass die beteiligten Interessen- und Anspruchsgruppen nunmehr eher dem Konsens als der Konfrontation zuneigen und Nachhaltigkeit zum gemeinsamen Nenner geworden ist, der von Wirtschaft und Politik, von Technokraten ebenso wie von den Anwälten der Umwelt akzeptiert wird, haben die Automobilhersteller und die ihr zudienende Zulieferindustrie wichtige Beiträge geleistet.

1-LITER-AUTO IST KEINE UTOPIE MEHR

Innert weniger Jahrzehnte kam es zu grundlegenden Konzeptänderungen und einer Vielzahl von Innovationen ­ auf dem Gebiet der Werkstoffe und Verarbeitungstechnologien ebenso wie in der Antriebstechnik oder im Bereich von Design und Sicherheit. Heute ist das 1-Liter­Auto keine Utopie mehr.

Bei dieser Entwicklung spielt der Werkstoff Aluminium eine herausragende Rolle. Sein niedriges spezifisches Gewicht prädestiniert das «weisse Gold» für ­ teils revolutionäre ­ Leichtbaulösungen.

Die Zusammenarbeit zwischen Automobilherstellern und der Aluminium-Industrie ist geprägt vom gemeinsamen Willen, neue Lösungen zu entwickeln, die die gewünschten Gewichtseinsparungen bringen, ohne dass die Leistung des Fahrzeugs beeinträchtigt wird oder Einbussen an Sicherheit und Komfort in Kauf genommen werden müssen.

Dabei gilt es, die Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten. In die Kostenrechnung einbezogen werden müssen auch die Ansprüche des Endkunden und der Betriebsaufwand, einschliesslich Recycling am Ende der Lebensdauer eines Autos. Für Aluminium-Komponenten war schon bisher der Autofriedhof nie Endstation: Der hohe wirtschaftliche Wert von Aluminium-Schrott ist der Grund dafür, dass nahezu 100% des im Automobilbau verwendeten Aluminiums gesammelt und rezykliert werden; damit wird Aluminium als vollwertiger Werkstoff wieder in den Materialkreislauf zurückgeführt. Kaum ein anderer industrieller Rohstoff vermag eine vergleichbare positive Recycling-Bilanz aufzuweisen.

Mit drei Beispielen wird illustriert, wie sich die Kooperation zwischen der Aluminium- und der Automobilindustrie in der Praxis gestaltet. Daraus mag hervorgehen, wie komplex die Anforderungen an beide Branchen sind und was es braucht, um im Automobil-Leichtbau Erfolg zu haben.

ROHKAROSSERIE: EINSPARPOTENZIAL

Das bedeutendste Potenzial zur Verringerung des Fahrzeuggewichts liegt in der Rohkarosserie. Deren Gewicht kann durch den Einsatz von Aluminium ­ anstelle von Stahl ­ um mindestens ein Drittel gesenkt werden. Neue Konzepte der europäischen Automobilhersteller gehen für die nächsten Jahre von einer Karosseriekonstruktion aus, die entweder auf der Space-Frame-Technologie (Audi A8, Audi A2), der selbsttragenden Blechbauweise (Jaguar XJ) oder einer Kombination der beiden Verfahren beruhen. Jedes der Konzepte hat Vor- und Nachteile, wobei vor allem die anvisierte Seriengrösse ein wichtiges Entscheidungskriterium bildet. Beim Einsatz der Space-Frame-Technologie sind die Investitionen für Werkzeuge und Produktionsanlagen deutlich geringer, was eher für den Einsatz bei Klein- und Mittelserien spricht.

Allerdings bevorzugt die Automobilbranche traditionell bekannte, ihr vertraute und bewährte Produktionsmethoden. Die beträchtlichen Investitionen in Montagebänder, Transferpressenstrassen und Maschinenparks sollen so lange wie möglich genutzt werden. Diese Haltung begünstigt die selbsttragende Karosseriebauweise, bei der gewalzte Aluminium-Produkte die traditionell verwendeten Stahlbleche problemlos substituieren und dem Aluminium-Einsatz zum endgültigen Durchbruch verhelfen. Welche der beiden Technologien sich längerfristig durchsetzen wird, bleibt abzuwarten. Vermutlich werden beide Konzepte nebeneinander Bestand haben.

INSTRUMENTEnTRÄGER: ZENTRALES ELEMENT

Der Instrumententräger ist das Rückgrat des gesamten Cockpit-Moduls, das heute immer komplexeren elektronischen Instrumenten wie Airbag-Sensoren, Navigationssystemen oder ganzen HiFi-Anlagen Raum bieten muss. Er spielt auch im Sicherheitskonzept eines Fahrzeugs eine wichtige Rolle. An die crash-spezifische Auslegung dieses Bauteils werden daher hohe Anforderungen gestellt.

Der Querträger versteift das Fahrzeug in Querrichtung, übernimmt bei einem Frontalunfall die Aufprallkräfte des Airbags und verhindert das Aufrichten des Lenkrades. Aluminium ist dank seiner spezifischen Eigenschaften für eine entsprechende sicherheitsrelevante Konstruktion besonders geeignet. Auf das Gewicht bezogen ist die statische und dynamische Steifigkeit der Aluminium-Konstruktion höher als bei vergleichbaren Stahl-Lösungen. Sie wirkt sich deshalb positiv auf das Crash-Verhalten aus.

Mit dem Ziel einer Gewichtseinsparung von 40% entwickelten ein deutscher Automobilhersteller und Alcan gemeinsam eine Lösung für einen Kleinwagen: Der Querträger sollte statt der bisherigen 6,6 kg nur noch 4 kg wiegen. Aus der Palette verfügbarer Halbzeug-Formen, Produktionsprozesse und Fügeverfahren des Aluminium-Herstellers wurden das wirtschaftlichste Konstruktionsprinzip, die geeigneten Werkstoffe und entsprechenden Fertigungsverfahren ausgewählt und sinnvoll miteinander verknüpft. So entstand ein modularer Instrumentenbrett-Träger aus Aluminium-Profilen und Magnesium-Druckgussteilen.

Das Gewicht des Querträgers war für den Kunden übrigens nur ein Argument, der Preis ein anderes. Neben der Gewichtsreduktion von 40% für den Instrumententafel-Träger waren die vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten ausschlaggebend für den Entscheid zugunsten des Alcan-Konzepts: Eine Kombination aus Aluminium-Strangpressprofilen und Magnesium-Druckgussteilen, verbunden mit einfachen Fügeverfahren, die in der Endmontage eventuell notwendige Toleranzanpassungen mit wenigen Handgriffen erlauben. Wie die Produktionszahlen belegen, hat der ganzheitliche, innovative Systemansatz sein «Versprechen» eingelöst: Vor kurzem konnte der 800000. Instrumententräger ausgeliefert werden.

STOSSFÄNGER:für Sicherheit

Bis in die 70er Jahre war der Stossfänger ein einfacher Bestandteil des Autos, der beim Auffahren auf ein anderes Fahrzeug bei minimaler Geschwindigkeit, insbesondere also beim Parkieren, eine Beschädigung der Karosserie verhindern sollte. Dem ist heute nicht mehr so. Die veränderte Gesetzgebung und strengere Prüfrichtlinien der Versicherungen haben dazu geführt, dass Stossfänger erhöhten Sicherheitsanforderungen genügen und die Reparaturkosten nach einer Kollision minimieren müssen.

Meist bestehen die Stossfängersysteme aus einem Querträger und einem deformierbaren Element (Crash-Element oder Crash-Modul), die immer häufiger aus Aluminium gefertigt werden. Der Querträger ist ein Biegebalken, der die Kräfte in das Crash-Element weiterleitet, während das zwischen Stossfänger und Längsträger angeordnete Crash-Element die kinetische Energie durch kontrollierte Deformation abbaut. Der als Partner der Automobilindustrie an vielen Innovationen der Autobranche beteiligte Aluminium-Hersteller Alcan hat sich für ein Aluminium-System entschieden, das aus einem Mehrkammer-Hohlprofil besteht, das mit einem zusätzlichen Crash-Modul ausgestattet ist.

Wenn es zu einer Kollision kommt, wird zuerst der Stossfänger als Biegebalken belastet und elastisch verformt. In der darauffolgenden Phase wird der Träger zuerst plastisch gerade gebogen und anschliessend verformt. Erst danach beginnt sich das Crash-Modul zu falten. Die Auslegung der verschiedenen Bauteile gewährleistet, dass bei einem Aufprall mit einer Geschwindigkeit von 15 km/h die kinetische Energie in einem kontrollierten Deformationsprozess vollständig absorbiert wird. Auf diese Weise wird die Beschädigung des Längsträgers verhindert. Im Heckbereich, wo weniger Energie aufgenommen werden muss, kann der Stossfänger direkt am Längsträger angebracht und auf ein zusätzliches Crash-Modul verzichtet werden; das Mehrkammerprofil absorbiert die gesamte Energie.

Ein modernes Stossfängersystem muss aber auch die Anforderungen der Automobilhersteller an Gewicht und Kosten erfüllen. Wie ein Vergleich zwischen dem Golf A4 und dem Audi A3 zeigt, kann eine Aluminim-Lösung in beiderlei Hinsicht günstiger sein: Während der Heck-Stossfänger des Golf aus Stahl 5,5 kg auf die Waage bringt, wiegt die Aluminium-Variante des Audi A3 bloss 3,2 kg. Berücksichtigt man einerseits die höheren Werkzeugkosten und die notwendige, kostspielige Oberflächenbehandlung der Stahlvariante und anderseits die Wiederverwertbarkeit des eingesetzten Aluminiums, lässt sich die technische und wirtschaftliche Überlegenheit der innovativen Lösung mit Aluminium-Hohlprofilen unschwer erkennen.

DIE PARTNERSCHAFT DAUERT FORT

Nachhaltigkeit als Massstab und Ziel menschlichen Wirkens wird in den kommenden Jahren an Aktualität nichts einbüssen. Künftige Generationen werden in nicht geringerem Masse als die Gesellschaft unserer Tage auf eine Wirtschaftsentwicklung angewiesen sein, die ökonomische und ökologische sowie soziale Interessen gleichermassen berücksichtigt. Das heisst auch, dass die diesbezüglichen Erwartungen an die Automobilindustrie und ihre Zulieferer weiter zunehmen werden. Gewichtsreduktion bleibt im Zentrum der Anstrengungen, und die Bedeutung von Aluminium als führendem Leichtbau-Werkstoff wird weiter wachsen.

Werner A. Stelzer, Vice President, Alcan Automotive, Sierre.

Alu im Autobau

Bald über 100 Kilo

Der durchschnittliche Gesamteinsatz von Aluminium im Personenwagen liegt heute bei gut 100 kg pro Fahrzeug. Fachleute erwarten für die nächsten fünf Jahre ein kontinuierliches Wachstum zwischen 5 und 10%. Demzufolge wird der Aluminium-Einsatz in diesem Zeitraum auf 130 bis 140 kg pro Fahrzeug steigen.

Die grössten Wachstumsimpulse dürften aus den Bereichen Karosserie und Fahrwerk kommen, bedingt durch den heute schon hohen Penetrationsgrad von Gussprodukten im Antriebsbereich. (was)

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