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Leichtbau Mercedes-Benz: Bessere Simulationstools für leichtere Karosserien

Autor / Redakteur: Hartmut Hammer / Thomas Günnel

Kürzere Entwicklungszeiten, weniger Prototypen, leichtere Fahrzeuge: Mercedes-Benz will seine Simulationstools und ihre Präzision verbessern. Auf dem Leichtbau-Gipfel erklärte Thomas Behr, Leiter Rohbau-Engineering, Materialien und Realisierung beim Hersteller, die Details.

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Thomas Behr, Leiter Rohbau-Engineering, Materialien und Realisierung bei Mercedes-Benz, sieht die Digitalisierung als Basis für mehr Nachhaltigkeit in der Produktentstehung.
Thomas Behr, Leiter Rohbau-Engineering, Materialien und Realisierung bei Mercedes-Benz, sieht die Digitalisierung als Basis für mehr Nachhaltigkeit in der Produktentstehung.
(Bild: Stefan Bausewein)

Die Produktentstehung der Karosserie ist nur in einer Gesamtschau zu analysieren, von der Erzeugung des Rohmetalls bis zur hochautomatisierten Fertigung. Entsprechend wichtig ist für Thomas Behr das „Mitnehmen“ der Rohstoff- und Halbzeuglieferanten. Diese müssten sehr viel in eine CO2-arme Rohstoff- und Teileproduktion investieren und deshalb vom Nutzen dieser Umweltschutzmaßnahmen überzeugt sein. Am anderen Ende der Produktkette achtet Mercedes-Benz laut Behr sehr auf eine möglichst umfassende Wiederverwendbarkeit der am besten sortenrein vorliegenden Rohstoffe.

Mercedes-Benz: Materialmix für die S-Klasse

In der Mitte zwischen Rohstoffgewinnung und Recycling können die OEMs ebenfalls noch viel zu einer günstigen CO2-Bilanz beitragen. Mercedes-Benz hat beispielsweise bei der neuen S-Klasse den situationsgerechten Materialmix früherer Mercedes-Modelle weiterentwickelt. In der Dachstruktur etwa kommen neue hochfeste Aluminiumlegierungen mit guter Crashperformance zum Einsatz. Sie tragen mit zur Gewichtseinsparung von mehreren zehn Kilogramm im Vergleich zum vorherigen S-Klasse-Rohbau bei – zusammen mit den kontinuierlichen Verbesserungen bei der Digitalisierung und Simulation.

Basis einer guten Digitalisierung ist für Thomas Behr die exakte Spezifikation von Material und Prozess. So hat Mercedes-Benz die digitale Prozesskette von Umformprozessen weitgehend geschlossen, da sich diese unmittelbar auf die Geometrie und Materialqualität auswirken – etwa in Form von lokalen Ausdünnungen, Schwächezonen oder Materialanhäufungen. Aus Umformprozessen generierte Daten wiederum können die Simulation dieser Prozesse verbessern.

Aluminium differenziert betrachten

Den Einsatz von mehr Aluminium für Leichtbau sieht Thomas Behr durchaus differenziert. Einerseits kann eine mit Aluminium gewichtsoptimierte Karosserie bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor den CO2-Footprint während des Fahrbetriebs wirksam senken.

Andererseits treten bei Elektrofahrzeugen mit ihrem ressourcenschonenderen Fahrbetrieb eher die Umweltbelastungen bei der Batterie- und Fahrzeugproduktion in den Vordergrund. Hier ist Aluminium durch seine stromintensive Produktion in einer CO2-Gesamtbilanz eher kritisch zu sehen – sofern es nicht mit regenerativer elektrischer Energie erzeugt wird.

Trotz dieser Abwägungen forciert Mercedes-Benz den Einsatz von Aluminium-Strukturgussteilen in seinen Modellen, da diese hohe Einleitungs-Steifigkeiten, Integrationsfähigkeit, Maßhaltigkeit, sowie Gewichtsvorteile bieten. Im Vergleich zu Aluminiumgussteilen im Antriebsstrang sind bei Karosseriestrukturteilen dünnere Wandstärken gefordert, großflächige statt großvolumige Bauteile, und eine höhere Funktionsintegration.

Allerdings gäbe es bei der Simulation von Aluminium-Strukturguss-Bauteilen noch viel Optimierungspotenzial. Deshalb werden derzeit bei Gießversuchen intensiv lokale Materialeigenschaften digitalisiert und so für spätere Crashsimulationen verfügbar gemacht – etwa bei der Formfüllung, der Erstarrung oder nach Wärmebehandlungen. Dort werden Informationen über Fehlstellen, Temperaturverläufe, Maßabweichungen, den Legierungseinfluss und viele weitere Parameter digital erfasst. Ziel der digitalen Ausgestaltung der Gießprozesse ist eine Optimierung der Berechnungsmethoden, um früher Bauteile mit hohem Reifegrad zu generieren.

Virtuelle Prozesse optimieren

Ein zweiter Schwerpunkt bei Mercedes-Benz ist derzeit die Entwicklung einer neuen Methodik, um Bauteile schneller, effizienter und kostengünstiger zu gestalten. Der konventionelle Prozess mit Bauraum- und Lastpfaddefinition, bionischer Optimierung und langwieriger CAD-Modellierung inklusive vieler Iterationsschleifen soll optimiert werden. Als ersten Schritt will der Automobilhersteller in einem intensiveren CAE-Prozess die Lastpfade vorab weitestgehend optimieren, damit die CAD-Optimierung und der gesamte Entwicklungsprozess verkürzt werden.

Auf diese Weise hat das Unternehmen nach Angaben von Behr eine Druckgusskomponente für den ab 2021 in Serie angebotenen EQS – im Prinzip die die elektrisch angetriebene S-Klasse – schneller und um zehn Prozent leichter auslegen können. Mit dem gleichen Verfahren konnte ein Schmiedebauteil ähnlich leicht und ein Hinterachsträger-Prototyp viel steifer als bisher gestaltet werden. Auch für Bauteile im 3-D-Druck ist diese Methode praxistauglich. In einem weiteren Schritt will Mercedes-Benz die CAE- und CAD-Phase noch enger verzahnen und eventuell schon im CAE eine seriennahe Geometrie erzeugen.

Insgesamt gewinnt die computergestützte Topologieoptimierung nach Angaben von Thomas Behr an Bedeutung, vor allem, wenn der „Flaschenhals“ der CAD-Optimierung schneller durchschnitten wird. Durch den früher erreichten Reifegrad ließen sich weitere Potenziale bei Gewicht, Kosten, Nachhaltigkeit und Bauraum erschließen.

Dies gelingt seiner Ansicht nach etwa durch das Zusammenwachsen der CAE- und CAD-Welt und durch eine engere Verzahnung der Konstruktions- und Berechnungsabteilungen innerhalb der Unternehmen. Der Hersteller sieht in seiner Inhouse-Tooloptimierung einen Wettbewerbsvorteil. Diese Wissensbasis könnte perspektivisch mit Lieferanten geteilt werden, um gemeinsam den Leichtbau voranzubringen.

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