Schlankheitskur für Auto und Co.

Klimaanlage, Navigationssystem, Airbags, Servolenkung, Antiblockiersystem – Neuwagen sind mit immer mehr elektronischen Finessen und Sicherheitssystemen ausgestattet. Doch die höheren Anforderungen an Komfort und Sicherheit haben ihren Preis: Das Gewicht der Fahrzeuge steigt und damit auch der Kraftstoffverbrauch. Um den Spritverbrauch zu senken, setzten Autobauer auf eine deutliche Gewichtsreduzierung. Leichtbauwerkstoffe wie Aluminium, Magnesium und Faserverbundmaterialien sollen beim Abspecken helfen – und das ohne Einbußen bei Sicherheit, Komfort und Zuverlässigkeit.

Wie das geht, zeigen Fraunhofer-Forscher am Beispiel einer Leichtbautür. Die neuartige Wagentür ist 18 Prozent leichter als derzeit verwendete Modelle und dennoch sicher. Die Tür besteht aus einem mit Innenhochdruck geformten Aluminiumrahmen. Für den notwendigen Seitenaufprallschutz sorgt ein Aluminium-Schaumkern. »Durch den Einsatz von Innenhochdruck-Blechumformung, Aluminium-Schäumen, Kunststoff und Kleben als Verbindungstechnik der unterschiedlichen Bauteile lässt sich nicht nur Gewicht sparen. Es kann auch eine homogenere Belastung der Bauteile und der Verbindungsstellen erreicht werden«, erläutert Axel Storz von der Fraunhofer-Technologie Entwicklungsgruppe TEG die Vorzüge der neuen Leichtbautür. Zudem wurde durch Funktionsintegration die Anzahl der Bauteile von 23 auf 18 reduziert. Das vereinfacht die Herstellung und reduziert die Kosten.

Laserschweißen macht Flugzeuge leichter

Auch Flugzeugbauer schauen auf jedes Kilogramm. Insbesondere bei Großraumflugzeugen der Generation XXL – wie dem Airbus A 380 – müssen die Betriebskosten überschaubar bleiben. Um Gewicht zu sparen, werden beim neuen Airbus A 380 Rumpfteile nicht mehr genietet, sondern in einer großen Laserstrahlschweißanlage im Airbuswerk Nordenham in einem Arbeitsschritt mit Versteifungselementen zusammengefügt. Das spart etwa 100 000 Nieten.

»Beim Laserstrahlschweißen kann man auf die breiten Nietsockel in der Flugzeugaußenhaut und am Stringerfuß verzichten. Gleichzeitig entfällt die Versiegelungsmasse zwischen den genieteten Teilen. Dadurch verringert sich das Strukturgewicht um fünf Prozent«, erläutert der Leiter des Projekts Laserstrahlschweißen von Flugzeugrumpfteilen, Prof. Berndt Brenner vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden. Künftig rechnen die Experten damit, dass sich durch weitere Verbesserungen bei Material und Schweißtechnik eine maximale Gewichtsersparnis bis 15 Prozent ergeben könnte. Weiterer Vorteil der neuen Fertigungstechnik: Die Schweißverbindung liefert trotz des geringeren Gewichts eine größere Druck- und Schubfestigkeit. Das Laserstrahlschweißen verkürzt zudem die Produktionszeiten. Mit dem Laserschweißen können sechs Meter pro Minute gefertigt werden. Die Nietgeschwindigkeit beträgt hingegen nur etwa 20 bis 40 Zentimetern pro Minute.

In einem Gemeinschaftsprojekt von Airbus Deutschland GmbH, dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden, der Schuler Held Lasertechnik GmbH Dietzenbach und der ibs Automation GmbH Chemnitz haben die Forscher eine bisher unikale Laserstrahlschweißanlage entwickelt und erprobt. Das Projekt wurde durch das Sächsische Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst SMWK sowie aus Mitteln des EFRE-Fonds der EU unterstützt. Gemeinsam wollen Ingenieure des IWS und der Airbus Deutschland GmbH das Gewicht von Flugzeugen noch weiter reduzieren. Dazu erproben sie neue Maschinenkonzepte, erarbeiten schweißgerecht ausgelegte metallische Bauweisen und entwickeln Schweißverfahren für zukünftige, noch leichtere Aluminium-Legierungen.

»Leichtbau ist die technisch und wirtschaftlich umsetzbare maximale Gewichtsverminderung bei hinreichender Steifigkeit, dynamischer Stabilität und Betriebsfestigkeit«, fasst Dr.-Ing. Thomas Hollstein vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM zusammen, welche Anforderungen bei der Entwicklung von Leichtbaukonzepten berücksichtigt werden müssen. Er koordiniert das Fraunhofer-Perspektiven-Thema »Integrierte Leichtbausysteme«. In diesem Projekt bündelt die Fraunhofer-Gesellschaft die Leichtbaukompetenzen ihrer Institute. Ziel ist es, das Gewicht von Bauteilen mithilfe von innovativen Werkstoffen, Verfahren und Konzepten zu reduzieren.