Leichtbau-Gipfel 2020 Leichtbau bei Ford: Welche Strategien der Hersteller nutzt

Wie funktioniert wirtschaftlicher Leichtbau in der Serie? Jürgen Wesemann von Ford zeigte auf dem »Leichtbau-Gipfel« in Würzburg, welche Strategie der Automobilhersteller verfolgt.

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„Im Idealfall sparen neue Technologien Gewicht und Kosten“, sagte Jürgen Wesemann, Manager Vehicle Systems Engineering & Technologies im Bereich Forschung und Vorentwicklung bei Ford, zu Beginn seines Vortrags beim Leichtbau-Gipfel in Würzburg am Dienstag (13. Oktober). In einer Umfrage bei Automobilherstellern im Januar 2020 fand das britische Analyseunternehmen „Wardsauto“ heraus, dass die Materialkosten immer das wichtigste Kriterium sind.

Um die richtige Balance zu finden, kann zum Beispiel die virtuelle Optimierung helfen. Wesemann zeigte das anhand eines Beispiels, in dem Kosten, Gewicht und Bauteilperformance gegenüberstehen. Das Bauteil im gewichtsoptimierten Design wog 144 Kilogramm. Wurden bei der Auslegung des Bauteils die Kosten berücksichtigt, stieg das Bauteilgewicht zwar auf 146 Kilogramm; es entstanden aber nur noch 85 Prozent der Kosten, die vorher aufgelaufen waren.

Richtige Berechnungskriterien wählen

Ein weiterer Ansatz sind laut Jürgen Wesemann die Kriterien für die Bauteilauslegung in der CAE-Berechnung. Am Beispiel eines Fahrwerksbauteils zeigte er den Unterschied zwischen Berechnungsansätzen. Im ersten Beispiel war dafür die plastische Dehnung bei Überlast als wichtigstes Kriterium hinterlegt. Das Resultat: Laut der Berechnung hätte die mittlere Bauteildicke um acht Prozent erhöht werden müssen. Liegt hingegen ein bruchmechanisches Kriterium zu Grunde, lieferte die selbe Berechnung eine Ersparnis bei Gewichts- und Materialkosten um acht Prozent.

Welchen Werkstoff setze ich ein?

Eine wichtige grundsätzliche Entscheidung ist dabei die Wahl des Werkstoffes. „Mehr als 95 Prozent der Karosseriestrukturen aller Automobilhersteller weltweit sind stahlbasiert“, beschrieb Wesemann. Bei Ford sind seien es unter 85 Prozent, vor allem in den schweren amerikanischen Pickups und SUVs nutzt der Hersteller auch Aluminium.

Dessen Gewichtsvorteil hat sich über die Jahre jedoch verringert: von rund 40 auf etwa 25 Prozent, verglichen mit Stahl. Der Grund sind weiterentwickelte Stahlsorten. das wird vor allem bei den europäischen Modellen deutlich: Die Karosserie des Focus aus dem Jahr 1998 bestand zu etwa 61 Prozent aus Schmiedestahl und zu etwa 39 Prozent aus hochfestem, niedriglegiertem Stahl. Im Focus aus dem Jahr 2018 finden sich bereits vier unterschiedliche Stahlarten: Schmiedestahl, hochfester, ultrahochfester und presshärtender Stahl.

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Glasfaserverstärkte Kunststoffe setzt Ford zum Beispiel im Tür-Innenteil des aktuellen Focus ein, außerdem in der Blattfeder des Wohnmobils Transit Camper und im Träger des vorderen Stoßfängers im Focus. „CFK ist derzeit eine Nischenanwendung und dort auch sehr gut aufgehoben. Außerdem setzen wir es für einzelne Bauteile in Derivaten mit geringer und mittlerer Stückzahl ein, hier ist der Werkstoff etabliert.“ In absehbarer Zeit werden diese Bauteile aber nicht signifikant dazu beitragen, das flottengewicht zu senken.

Graphene: Ein faszinierender Werkstoff

Besonderes Potenzial sieht Jürgen Wesemann bei einem anderen Material: Graphene. „Der Werkstoff ist in meinen Augen absolut faszinierend“, sagte er. Geräuschabsorption, mechanische Eigenschaften und Wärmebeständigkeit seien sehr gut. Ford setzt das Material unter anderem bei Motor- und Pumpenabdeckungen oder der Ummantelung von Kraftstoffleitungen ein.

Leichtbau als System denken

Den Systemansatz beim Leichtbau verdeutlichte Wesemann am Beispiel des Leichtbauwerkstoffs für Motorblöcke. „Ersetze ich einen Motorblock aus Aluminium durch einen Block aus Grauguss, steigt zunächst das Gewicht. Dafür kann ich den Block kleiner bauen. Das heißt auch: Der Motor wird kürzer, also auch die Kurbelwelle, die Nockenwelle und der Zylinderkopf – es gibt also viele Kompensationseffekte.“ Das Gesamtmotorgewicht sei dann zwar oft identisch verglichen mit einem Motor mit Aluminium-Block – es blieben aber Kostenvorteile.

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Das gesparte Budget könne so in andere Leichtbauteile investiert werden: zum Beispiel in eine Aluminium-Motorhaube oder andere Radträger. „Wenn der Motor der größte der Baureihe ist, habe ich einen Package-Vorteil.“ So könne der Vorderwagen optimiert oder kürzer gebaut werden. „Das heißt ich spare erneut Geld, weil weniger Werkstoffe notwendig sind. Am Ende habe ich so Gewicht und Kosten gespart.“ Nur die Werkstoffe für einzelne Komponenten zu betrachten sei hingegen zu kurz gedacht, sagte Jürgen Wesemann.

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