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Audi Der Leichtbau der Zukunft

| Autor: Claus-Peter Köth

Dr. Lutz-Eike Elend, Leiter des Audi Leichtbauzentrums Neckarsulm, über den Stellenwert und die Bezahlbarkeit des Leichtbaus, die Chancen von CFK im Volumensegment, Impulse durch die Elektromobilität sowie den Leichtbau der Zukunft.

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Dr. Lutz-Eike Elend, Leiter des Audi Leichtbauzentrums Neckarsulm.
Dr. Lutz-Eike Elend, Leiter des Audi Leichtbauzentrums Neckarsulm.
(Foto: Audi)

Herr Dr. Elend, welchen Stellenwert nimmt der Leichtbau im Hause Audi ein, um die CO2-Ziele im Jahr 2020 zu erreichen?

Einen sehr hohen, denn die Marke Audi hat sich nicht nur der Sportlichkeit verschrieben, sondern auch der Effizienz und der CO2-Einsparung. Der Leichtbau ist dabei ein ganz wesentliches Element. Schließlich bedeuten 100 Kilogramm weniger Gewicht einen um bis zu 0,4 Liter geringeren Kraftstoffverbrauch auf 100 Kilometer beziehungsweise einen um 8,5 Gramm pro km geringeren CO2-Ausstoß.

Spielt Leichtbau die gleiche Rolle wie die motorischen und aerodynamischen Maßnahmen?

Ja, wobei wir uns natürlich ganz gezielt anschauen, in welchem Fahrzeugsegment welche Maßnahme sinnvoll ist. Zusätzlich zur positiven Emissionswirkung verbessert Leichtbau auch die Fahrzeugfunktionen wie Achlastverteilung und fahrdynamische Eigenschaften.

Bei Audi heißt Leichtbau „ultra“. Was verbinden Sie mit diesem Begriff?

Mit CFK beschäftigt sich Audi schon seit knapp einem Jahrzehnt sehr intensiv.
Mit CFK beschäftigt sich Audi schon seit knapp einem Jahrzehnt sehr intensiv.
(Grafik: Audi)

Leichtbau ist für uns keine spezielle Disziplin, um die sich nur eine Abteilung kümmert, sondern ein wesentlicher Bestandteil unserer Effizienz-Strategie. Vor diesem Hintergrund haben wir den Begriff „ultra“ geprägt. Dazu nutzen wir sekundäre Gewichtsreduktionen konsequent, ausgehend von der Karosserie als wesentlichem Gewichtselement. So können wir bei einem geringeren Gewicht der Karosseriestruktur mit kleiner dimensionierten Motoren die gleiche Fahrleistung generieren, einfach weil wir weniger Masse beschleunigen müssen. Auch unsere Bremsen können wir dann in der Folge anders dimensionieren.

Liegt in diesem sogenannten systemischen Ansatz das größte Potenzial, nicht zuletzt auch wenn es um die Bezahlbarkeit von Leichtbau geht?

Der systemische Ansatz ist notwendig, um auch die angesprochenen sekundäre Gewichtseinsparungen zu realisieren. Die Erfolge sind für jeden unserer Kunden sichtbar und erfahrbar. Und natürlich erzielen Sie einen Kostenhub, wenn Sie zum Beispiel statt eines 6-Zylinder-Motors einen 4-Zylinder-Motor einsetzen oder kleiner dimensionierte Bremsen verbauen. Alleine durch den geringeren Materialeinsatz werden diese Systeme im Idealfall günstiger.

In welchem Audi-Modell haben Sie die „ultra“-Strategie bislang am konsequentesten umgesetzt?

Den Anfang machte 2006 der aktuelle Audi TT. Dort ist es gelungen, das Nachfolgemodell trotz technischer Mehrinhalte deutlich leichter zu machen als den Vorgänger – schon damals in einer Aluminium-Stahl-Mischbauweise. Weiter verfeinert haben wir den Ansatz beim A6 und dann aktuell beim neuen A3. Bei künftigen Modellen werden wir die „ultra“-Strategie noch intensiver ausrollen. Dabei beschränken wir den Leichtbau nicht auf eine Fahrzeugklasse. Wir nutzen unser Know-how konsequent über die gesamte Modellpalette.

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Zur Person

Dr.-Ing. Lutz-Eike Elend, 42, studierte Maschinenbau an der Universität Hannover. Nach Abschluss seiner Promotion im Jahre 2001 folgten Führungsaufgaben bei Alcan Aluminium Valais SA in Sierre/Schweiz. Mit dem Wechsel zu Audi im Jahr 2004 übernahm er die Verantwortung für die „Technologieentwicklung Leichtbauwerkstoffe“ im ALZ Neckarsulm. Von Mai 2007 bis Oktober 2009 leitete Elend die Abteilung „Leichtbautechnologie- und Prozessentwicklung“. Im November 2009 ging er nach Ingolstadt, verbunden mit der Leitung der Abteilung „Entwicklung Karosseriestruktur“. Seit 1. November 2010 ist Dr. Elend Leiter des Audi Leichtbauzentrums (ALZ) Neckarsulm. Zudem verantwortet er seit 1. April 2012 die Entwicklung Karosseriestruktur für alle Audi-Modelle und die MLB-Plattformentwicklung.

Audi war einst das Nonplusultra in Sachen Leichtbau, Stichwort: Audi Space Frame-Bauweise. Zumindest in der öffentlichen Wahrnehmung hat man den Eindruck, dass andere OEMs hier kräftig aufgeholt haben. Würden Sie das bestätigen?

Wir begrüßen es, dass auch Wettbewerber erkannt haben, welcher Vorteil im Leichtbau steckt. Audi repräsentiert als Leichtbaupionier immer noch die Spitze des automobilen Leichtbaus – gar keine Frage. Wir haben über 20 Jahre hinweg mit der Audi-Space-Frame-Technologie und auch mit den Modellen, die wir jetzt aktuell auf die Straße bringen, bewiesen, dass wir Aluminium und alle andere Karosseriebau-Materialien beherrschen. Weil jedoch ein Werkstoff alleine nicht alle Anforderungen erfüllen kann, die an eine moderne Leichtbau-Karosserie gestellt werden, präferieren wir Multi-Material-Mischbaukonzepte. Frei nach unserem Motto: Das richtige Material an der richtigen Stelle und in der richtigen Menge. Dabei sind für uns die funktionalen Eigenschaften des jeweiligen Materials entscheidend. Eine Monokultur – nur einen Werkstoff einzusetzen – ist nach unserem Dafürhalten nicht der richtige Weg.

Was die Vermarktung des Themas Leichtbau nicht einfacher macht.

Absolut. Letztlich muss der Kunde den Leichtbau spüren, indem sein Fahrzeug weniger Kraftstoff verbraucht und dynamischer ist. Welche Werkstoffe wir dazu einsetzen, interessiert nur wenige Endkunden.

Inwieweit ist der Kunde bereit, für Leichtbau zu bezahlen?

Der Kunde ist bereit, für ein leistungsstarkes, fahrdynamisches und trotzdem effizientes Fahrzeug zu bezahlen. Leichtbau ist der Schlüssel für die Kombination dieser Eigenschaften.

Der Werkstoff CFK ist in aller Munde – nicht zuletzt durch den nahen Serienstart des BMW i3. Welche Aktivitäten verfolgt Audi in Sachen CFK?

Faserverbundkunststoffe, CFK inklusive, sind für Audi keine neuen Werkstoffe. Wir beschäftigten uns schon seit knapp einem Jahrzehnt sehr intensiv damit. CFK hat den industriellen Durchbruch bislang nicht geschafft, weil die Prozess- und Fertigungstechnologien noch nicht ausreichend entwickelt sind. Wir arbeiten intensiv daran, das zu ändern – so wie wir das einst beim Audi-Space-Frame des ersten Audi A8 mit dem Werkstoff Aluminium geschafft haben.

Wie ist hier die Aufgabenverteilung innerhalb des Volkswagen-Konzerns?

Es gibt im VW-Konzern bereits zahlreiche Fahrzeuge mit CFK-Komponenten, etwa den aktuellen Audi R8, den VW XL1 oder den Lamborghini Aventador. Die jeweiligen Herstellprozesse sind stark stückzahlabhängig.

Hat der Werkstoff CFK im Volumensegment eine Chance?

Bisherige CFK-Anwendungen im Motorsport oder in der Luft- und Raumfahrt stehen nahezu ausschließlich in Verbindung mit händischen Herstellprozessen. Künftig sehe ich auch im Volumensegment ein Potenzial. Dies gilt aber nur dort, wo Prozess und Produkt sehr gut zusammenpassen und sich die Mehrkosten pro Kilogramm Mindergewicht in Grenzen halten. Auch Carbon muss sich bei uns dem Wettbewerb der Werkstoffe stellen.

Welche Stellhebel sehen Sie, um die Kosten für FVK zu senken?

Der Kostenhebel liegt nicht auf Seiten der Faser und deren Weiterverarbeitung zum Gewebe. 70 Prozent der Kosten eines CFK-Bauteils sind in den Fertigungsprozessen bis zum Bauteil im Fahrzeug begründet. Diese müssen Sie beherrschen. Natürlich arbeiten wir auch sehr intensiv an alternativen Fasermaterialien. Im Fokus der Untersuchungen stehen hier Glas-, Aramid- und biobasierte Fasern, die in Teileigenschaften schon Vorteile wie Carbon bieten. Die industrielle Verfügbarkeit und die Konstanz in den mechanischen Kennwerten ist noch nicht auf Automotive-Niveau. Wir befinden uns hier aber auf einem guten Weg.

Audi propagiert den Multimaterial-Mix. Wie werden sich die Anteile der Werkstoffe pro Fahrzeug entwickeln?

Die Anteile der jeweiligen Materialien pro Fahrzeug sind stark abhängig vom Segment.
Die Anteile der jeweiligen Materialien pro Fahrzeug sind stark abhängig vom Segment.
(Grafik: Audi)

Das ist stark abhängig von der Fahrzeugklasse. Ein Audi A1 wird zum Beispiel einen anderen Materialmix haben als ein R8. Über alle Modelle hinweg ist jedoch der Bedarf an Leichtbau gegeben. Deshalb haben wir uns einen Werkstoffbaukasten geschaffen, aus dem sich die Ingenieure bedienen können. Darüber hinaus haben wir mit dem Audi-Leichtbauzentrum Neckarsulm ein Technikum im Unternehmen, das zum einen die notwendigen Prozesstechnologien entwickelt. Zum anderen bauen wir hier das Know-how auf, um die unterschiedlichen Materialien miteinander zu verbinden.

Wie unterstützen moderne Simulationsmethoden den Leichtbau?

Mit den Simulationstools bekommen wir ein sehr gutes Indiz darüber, wie viel Material und welche Materialeigenschaften an welcher Stelle erforderlich sind, um die Anforderungen in punkto Festigkeiten und Steifigkeiten zu erfüllen. Danach können wir – abhängig vom Segment – das Material und das Fertigungsverfahren auswählen. Auch die Prognosegüte der Simulation zur Crashauslegung ist besser geworden.

Wie viel darf das Kilogramm weniger Gewicht heute kosten?

Hier kursieren Zahlen von fünf bis zu 15 Euro pro kg. So einfach machen wir uns die Bewertung jedoch nicht: Gemäß unseres Ultra-Prinzips drehen wir jeden Stein um. Dabei prüfen wir, wie groß der Bedarf an Leichtbau ist und wie wir die Lücke zum Bedarf schließen können. Und zwar auf die möglichst wirtschaftlichste Weise.

Welche Rolle spielt Magnesium in Ihren Überlegungen?

Magnesium ist für uns ein Werkstoff wie jeder andere in unserem Multi-Material-Baukasten. Wir haben Bauteile aus Magnesium bereits im Serieneinsatz.

Leichtbau wird noch sehr stark mit der Karosserie verbunden. Wird das Potenzial anderer Komponenten unterschätzt?

Ich denke schon. Zudem haben wir unsere Karosseriekonzepte bereits stark optimiert. Nehmen Sie zum Beispiel die Karosserie unseres aktuellen R8: In der Audi-Space-Frame-Bauweise aus Aluminium gefertigt, wiegt sie gerade einmal 210 kg. Auf der anderen Seite liegt das Gesamtgewicht des R8 je nach Motorenvariante bei knapp 1.600 kg; bereits optimiert durch zahlreiche Karosserieanbauteile aus CFK. Die Differenz von Gesamtgewicht und Gewicht der Karosserie zeigt, dass es in anderen Baugruppen noch große Hebel gibt. Diese gilt es künftig verstärkt zu erschließen.

Lohnt es sich für die Zulieferer, in Leichtbau zu investieren?

Wir entscheiden über Konzepte von Lieferanten genau nach den schon oben beschriebenen Kriterien – bei Funktionsgleichheit wählen wir natürlich das leichtere Konzept aus.

Auch wenn es mehr kostet?

In unserem Hause gibt es eine sehr enge Abstimmung zwischen Beschaffung und Technik. Dadurch ist sichergestellt, dass wir unter dem Aspekt des Systemgedenkens stets eine sehr gute Lösung finden. Der günstigste Leichtbau findet sich jedoch immer dort, wo wir durch intelligente Konzepte Material einsparen.

Hat der Leichtbau durch die Elektromobilität einen neuen Schub bekommen?

Definitiv, aber nicht nur der Leichtbau. Durch die Elektromobilität müssen teilweise völlig neue Konzepte entwickelt werden, unter anderem für Karosseriestrukturen. Weil der Leichtbau rein über die Substitution von Materialien endlich ist, werden die Leichtbaukonzepte der Zukunft darüber hinausgehen. Die Elektromobilität gibt einen starken Impuls dazu.

Es heißt, bei der Umsetzung des Leichtbaus könne die Industrie vom Motorsport lernen. Wie sehen Sie das?

Genauso. Die Funktions- beziehungsweise Systemintegration ist dort sehr viel weiter fortgeschritten. Zum Beispiel kenne ich kein Motorsport-Fahrzeug, das mit einem Fahrwerk-Hilfsrahmen unterwegs ist. Diese Funktion bringt die Karosserie mit. Das heißt, Sie müssen die Karosserie vielleicht etwas schwerer machen, um die notwendige Anbinde-Steifigkeit des Fahrwerkes zu gewährleisten, können letztlich aber deutlich mehr Gewicht über den Entfall des Hilfsrahmens einsparen. In Kombination mit der Multi-Material-Bauweise sieht für mich so der intelligente Leichtbau der Zukunft aus.

Das Interview führte Claus-Peter Köth

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