Leichtbaumaterialien verändern zukünftiges Automobildesign

Was ermöglicht es Automobilen, auf dem Weg der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung weiter zu fahren? Die Antwort könnte in drei Schlüsselmaterialien liegen, aus denen moderne Fahrzeuge bestehen. Von der Geburt des Ford Model T bis zu den heutigen florierenden neuen Energiefahrzeugen bleibt die Materialinnovation der wichtigste Treiber des Fortschritts in der Automobilindustrie. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Gewichtsreduzierung von Fahrzeugen und untersucht die Rolle von Stahl, Aluminium und Kunststoffen im Karosseriedesign von Automobilen, während verwandte Materialien und Verarbeitungstechnologien analysiert werden.

Im Zuge der kontinuierlichen technologischen Innovation im Automobilbereich spielen Materialien eine entscheidende Rolle. Als Grundlage der Fertigung können Materialien nur durch anspruchsvolle Verarbeitungstechniken in funktionale Automobilkomponenten umgewandelt werden. Ein herkömmliches Fahrzeug mit Verbrennungsmotor besteht typischerweise aus Zehntausenden von Teilen. Um die Funktionalität der Komponenten zu verbessern und die Kraftstoffeffizienz zu steigern, wächst der Bedarf der Industrie an fortschrittlichen Materialien weiter, was die Entstehung neuer Materiallösungen vorantreibt.

Laut frühen Umfragedaten der Japan Automobile Manufacturers Association (JAMA) hat sich das Zusammensetzungsverhältnis der Automobilmaterialien seit der Ölkrise verändert. Stahlmaterialien – einschließlich Stahlplatten, Baustahl, Edelstahl und Gusseisen – haben ihren Anteil von etwa 80 % auf etwa 70 % leicht reduziert. Dennoch bleibt Stahl das dominierende Material in der Automobilherstellung. Inzwischen hat die Verwendung von Aluminium und Kunststoffen einen Aufwärtstrend gezeigt, wobei Aluminium und andere Nichteisenmetalle etwa 8 % ausmachen und Kunststoffe ein ähnliches Niveau erreichen. Obwohl sich die Daten der JAMA nur bis 2001 erstrecken, deuten Branchenschätzungen darauf hin, dass Kunststoffe heute fast 10 % der Automobilmaterialien ausmachen. Diese Verschiebung in der Materialzusammensetzung resultiert weitgehend aus Überlegungen zur Gewichtsreduzierung, die in erster Linie durch den Ersatz von traditionellem Stahl durch Aluminium- und Kunststoffalternativen erreicht wird.

Somit bilden Stahl, Aluminium und Kunststoffe die drei Säulen der Automobilstrukturmaterialien. Natürlich geht die Fahrzeugzusammensetzung über diese drei Materialien hinaus – Gummi für Reifen, Sicherheitsglas für Windschutzscheiben, Keramik für Sensoren und Platin für Katalysatoren dienen alle als wesentliche Komponenten. Die umfassende Anwendung dieser Materialien macht moderne Automobile möglich, während die Automobilentwicklung gleichzeitig die Optimierung bestehender Materialien und die Erforschung neuer Materialien vorantreibt.

In den 1980er Jahren erregten Keramikmaterialien als „drittes Material“ nach Metallen und Kunststoffen Aufmerksamkeit, hauptsächlich aufgrund ihrer überlegenen Hochtemperaturbeständigkeit im Vergleich zu Metalllegierungen. Eine bahnbrechende Innovation entstand 1985, als das Fairlady Z-Modell von Nissan einen Turboladerrotor aus Siliziumnitrid-Keramik einsetzte. Mit einer Dichte von nur 3,2 g/cm³ – deutlich geringer als die Inconel-Legierung (8,5 g/cm³), die damals üblicherweise für Turbinenschaufeln verwendet wurde – reduzierte dieses Material das Rotorgewicht erheblich und verbesserte das Ansprechverhalten des Motors.

Auch Keramik-Motorventile aus Siliziumnitrid wurden ausgiebig erforscht und erreichten die Prototypen-Testphase. Die Schleiftechnologie für dieses hochharte Material – insbesondere die kostengünstige Qualitätskontrolle – entwickelte sich zu einer entscheidenden technischen Herausforderung, was erneut die Bedeutung von Materialverarbeitungstechniken unterstreicht. Keramiken spielen auch eine wichtige Rolle in Umweltanwendungen: Zirkonoxidkeramiken in Sauerstoffsensoren für Benzinfahrzeuge, Cordieritkeramiken in Katalysatorträgern und Siliziumkarbidkeramiken in Dieselpartikelfiltern (DPF) zur Abgasreinigung.

DPFs, die erstmals im Peugeot 607 von 2000 eingesetzt wurden, erfassen Partikel (PM) aus Dieselabgasen mithilfe von Wabenstrukturen mit porösen Wänden. Diese Technologie erfordert eine präzise Steuerung der Mikroporen-Abmessungen und fortschrittliche Wabenverarbeitungstechniken. Ein typischer Pkw-DPF wiegt 3–6 kg, was unweigerlich das Gesamtgewicht des Fahrzeugs erhöht.

Die Gewichtsreduzierung von Fahrzeugen zielt in erster Linie darauf ab, den Kraftstoffverbrauch zu senken und die dynamische Leistung zu verbessern. Unter zunehmendem Umweltdruck sind Verbesserungen der Kraftstoffeffizienz besonders wichtig geworden. Es gibt mehrere Ansätze, um einen geringeren Kraftstoffverbrauch zu erzielen – einschließlich der Optimierung der Motorverbrennung, der Reduzierung von Reibungsverlusten, der Verbesserung der Kraftübertragungseffizienz, der Verringerung des aerodynamischen und Rollwiderstands sowie der Reduzierung des Fahrzeuggewichts. Unter diesen ist die Gewichtsreduzierung eine der wichtigsten Maßnahmen. Da die Karosserie die schwerste Fahrzeugkomponente darstellt, erweist sich die Gewichtsreduzierung der Karosserie als unerlässlich für die Kraftstoffeffizienz. Bei Elektrofahrzeugen verlängert die Gewichtsreduzierung zusätzlich die Reichweite.

Betrachten Sie eine 2,0-Liter-Limousine mit einem Leergewicht von 1.214 kg: Ihre Stahlkarosserie wiegt 343 kg, bestehend aus einer 261 kg schweren Rohkarosserie (Strukturrahmen) plus 82 kg für Türen und Motorhauben. Somit macht die Karosserie etwa 30 % des Gesamtgewichts des Fahrzeugs aus. Im Vergleich dazu wiegt der Motor 141 kg, einschließlich eines 41 kg schweren Zylinderblocks aus Gusseisen. Der Ersatz durch Aluminium reduziert das Gewicht um 15 kg – ein klassisches Beispiel für Materialsubstitution zur Gewichtsreduzierung.

Die Miniaturisierung von Komponenten bietet einen weiteren wichtigen Ansatz zur Gewichtsreduzierung. Die Reduzierung der Größe von Motor und Motorraumkomponenten erweitert nicht nur den Innenraum, sondern vergrößert auch die Crash-Pufferzonen, was die Kollisionssicherheit verbessert. Die Miniaturisierung erhöht auch die Flexibilität des Karosseriedesigns. So weist ein modernes Leichtbaufahrzeug (Leergewicht 718 kg) eine 206 kg schwere Karosserie auf – wobei ein ähnliches Verhältnis von Karosserie zu Fahrzeuggewicht wie bei der 2,0-Liter-Limousine beibehalten wird (siehe Tabelle 1).

Automobilkarosserien stellen einige der größten und komplexesten Fahrzeugstrukturen dar, was sie zu den wichtigsten Zielen für die Gewichtsreduzierung macht. Das Karosseriedesign muss mehrere Leistungsanforderungen erfüllen – einschließlich Festigkeit, Steifigkeit, Haltbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, NVH-Leistung (Geräusche, Vibrationen und Rauheit) und Crashsicherheit – ohne Kompromisse bei den Bemühungen zur Gewichtsreduzierung.

Hochfester Stahl (HSS) dient als wichtiges Material zur Gewichtsreduzierung. Durch die Erhöhung der Stahlfestigkeit können Hersteller den Materialverbrauch reduzieren, ohne die strukturelle Leistung zu beeinträchtigen. Fortschrittliche hochfeste Stähle (AHSS) – einschließlich zweiphasiger (DP), umwandlungsinduzierter Plastizität (TRIP), komplexphasiger (CP) und martensitische (MS) Stähle – weisen zunehmend verbreitete Anwendungen im Automobilbereich auf. Diese Materialien bieten eine höhere Festigkeit und eine bessere Formbarkeit für leichtere, sicherere Karosseriestrukturen.

Das neueste Modell eines Automobilherstellers verwendet umfangreiche AHSS, um das Karosseriegewicht um 15 % zu reduzieren und gleichzeitig die Steifigkeit und die Crashsicherheit zu verbessern. Warmgeformter Stahl verstärkt auch häufig kritische Strukturkomponenten wie A-Säulen und B-Säulen, um die Crashfestigkeit zu erhöhen.

Aluminiumlegierungen bieten eine weitere wichtige Lösung zur Gewichtsreduzierung. Mit einer Dichte von etwa einem Drittel der von Stahl reduziert die Aluminiumsubstitution das Karosseriegewicht erheblich. Die hervorragende Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit von Aluminium erleichtern die Herstellungsprozesse. Aktuelle Anwendungen umfassen Karosserieteile, Strukturkomponenten, Aufhängungssysteme und Motorteile.

Der Audi A8 ist ein Beispiel für eine Vollaluminium-Karosserie, die eine Gewichtsreduzierung von etwa 40 % im Vergleich zu herkömmlichen Stahlkarosserien erreicht. Das Model S von Tesla verwendet ebenfalls in großem Umfang Aluminium, um das Gewicht zu reduzieren und die Reichweite zu erhöhen.

Kunststoffe und Verbundwerkstoffe bieten zusätzliche Wege zur Gewichtsreduzierung. Ihre deutlich geringere Dichte im Vergleich zu Metallen ermöglicht erhebliche Gewichtseinsparungen, während die hervorragende Designflexibilität und Korrosionsbeständigkeit für komplex geformte Komponenten geeignet sind. Aktuelle Anwendungen umfassen Stoßfänger, Kotflügel, Türverkleidungen und Instrumententafeln.

Kohlefaserverbundwerkstoffe stellen Hochleistungs-Leichtbaumaterialien mit außergewöhnlicher Festigkeit und Steifigkeit dar. Trotz höherer Kosten nimmt ihre Verwendung in Premiumfahrzeugen wie dem BMW i3 und i8 weiter zu.

• Hochfestere, duktilere Stähle: AHSS der nächsten Generation werden leichtere, sicherere Karosseriestrukturen ermöglichen.
• Kostengünstigere Aluminiumlegierungen: Die Weiterentwicklung der Produktionstechnologien wird die Aluminiumanwendungen erweitern.
• Hochleistungsverbundwerkstoffe: Kohlefaser und ähnliche Materialien werden eine breitere Akzeptanz erfahren.
• Multi-Material-Hybridisierung: Zukünftige Karosserien werden Materialien kombinieren, um die Gewichtsreduzierung zu optimieren.

Die Gewichtsreduzierung im Automobilbereich stellt eine systematische technische Herausforderung dar, die koordinierte Fortschritte in den Bereichen Materialien, Design und Fertigung erfordert. Mit dem Fortschritt der Technologien werden zukünftige Fahrzeuge leichter, effizienter und umweltfreundlicher.