Automobilhersteller müssen viele Prioritäten gegeneinander abwägen. Kraftstoffeffizienz, Sicherheit, Kosten, steigende Ansprüche der Kunden und die Erfordernis, die Fertigung effizient zu halten sind gleichermaßen wichtig. Die Hersteller müssen außerdem die zahlreichen für ihre Branche relevanten Innovationen im Blick behalten. Viele Länder setzen Gesetze um, die niedrige Emissionen und eine hohe Kraftstoffeffizienz obligatorisch machen. Zugleich genießt die Sicherheit oberste Priorität und die Fahrer erwarten Annehmlichkeiten wie belüftete Sitze und integrierte Wi-Fi- oder Infotainmentsysteme. Selbstfahrfunktionen erfordern Konnektivität und Sensoren. Elektrofahrzeuge wiederum sind mit Batterien ausgerüstet, die über 220 Kilogramm wiegen.
Viele dieser Funktionen fügen dem Fahrzeug zusätzliches Gewicht hinzu, was zu Lasten der Kraftstoffeffizienz geht. Autohersteller müssen daher Wege finden, effizient zu sein, Emissionen zu verringern und andere Fahrzeugbereiche leichter zu machen, um dieses zusätzliche Gewicht auszugleichen.
Die gesteigerte Produktion von Elektrofahrzeugen kann dazu beitragen, die Anzahl der Autos mit Verbrennungsmotoren auf den Straßen und damit die CO2-Emissionen zu reduzieren. Aber diese Autos müssen auch ausreichend effizient sein, um eine Reichweite zu bieten, die von einer Ladestation zur nächsten reicht. Ungeachtet der Antriebsquelle sind leichte Materialien der Schlüssel, um den Energieverbrauch bei jedem Transportmittel zu reduzieren. Um mit den sich ändernden Anforderungen Schritt halten zu können, schauen Autohersteller mit einem neuen Blickwinkel auf Materialien, Werkstücke und Produktionsabläufe.
Die Fahrzeugindustrie arbeitet seit Jahrzehnen daran, Verarbeitungsprozesse für unterschiedliche Materialien zu perfektionieren. Von der Fertigung, über den Zusammenbau der Teile bis zum Lackieren – die Hersteller verfügen über ein fundiertes Wissen, wie man effizient perfekte Maschinen herstellt. Der Übergang zu leichteren Werkstücken – und zu Werkstücken, die am Ende der Lebensdauer eines Autos auch recycelt werden können – wirkt sich auf viele Schritte im Fertigungsprozess aus.
Jay Baron, vom Center for Automotive Research sagt, dass durch die Anforderung, leichte und recycelfähige Materialien zu verwenden, die Fertigungsprozesse und -technologien immer komplexer geworden sind. Autohersteller benötigen nun mehr Zulieferer, um seltene Materialien für die jeweiligen Werkstücke zu beziehen. Das Hinzufügen von weiteren Zulieferern und Produktionsschritten führt allerdings zum Gegenteil dessen, was man eigentlich anstrebt – statt einfacher zu werden, wird der Fertigungsprozess immer komplizierter.
„Die Hersteller werden Ihnen sagen, dass sie sich mit dieser Entwicklung alles andere als wohl fühlen“, erklärt Jay. Was also wäre dann der nächste logische Schritt? Möglicherweise Tier-1-Zulieferer zu finden, die einige der Komponenten herstellen.
Ingenieure konzipieren Komponenten mit verschiedenen und oft gegenläufigen Zielsetzungen. Was steht ganz oben auf der Liste? Die Vermeidung von Risiken. Da Autos massenproduziert werden, können die Konsequenzen fehlerhafter Werkstücke katastrophal sein. Daher stellen Ingenieure beim Automobildesign sorgfältig sicher, dass Werkstücke immer wieder darauf getestet werden, dass sie diesem vorrangigem Ziel auch gerecht werden.
Die Herstellung leichter Komponenten steht ebenfalls auf der Liste der Zielsetzungen – nachdem die Anforderungen an Sicherheit und Leistung erfüllt sind. Die Hersteller können alle Anforderungen im Hinblick auf ein geringes Gewicht sowie auf Sicherheit und Leistung erfüllen, jedoch wirkt sich das auf die Kosten aus.
Um dieser Mischung aus unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, verwenden Automobilhersteller zunehmend Materialien mit höheren Festigkeit-Masse- und Steifheit-Masse-Verhältnissen.
Stahl ist immer noch das am häufigsten im Autobau verwendete Material – er ist stark, kostengünstig und lässt sich leicht verarbeiten. Zudem verfügen Autohersteller über viel Erfahrung und fundierte Prozesse hinsichtlich der Verarbeitung des Werkstoffs. Er ist in verschiedenen Dicken verfügbar. Fortschrittlicher hochfester und ultra-hochfester Stahl ist dünner und daher leichter. Allerdings ist er nicht so leicht zu verarbeiten. Der festeste Stahl wird üblicherweise dort verbaut, wo die meiste Verstärkung erforderlich ist, zum Beispiel um die Kollisionsbeständigkeit der Fahrerkabine sicherzustellen.
Aluminium ist ein weiteres beliebtes Material – und diese Beliebtheit nimmt mit jedem Jahr zu. Es ist leicht, fest, beständig gegen Korrosion und wird oft bei Motorhauben, Heckklappen und Türen verwendet. Laut energy.gov kann es das Gewicht eines Bauteils um bis zu 60 Prozent reduzieren. Es erhöht die Fahrzeugkosten jedoch erheblich, da es teurer und schwieriger zu verarbeiten ist. Zudem ist seine Formbarkeit begrenzt und es lässt sich manchmal nur schwer mit anderen Materialien verbinden. Teurere Autos bestehen tendenziell aus mehr Aluminium, während bei kostengünstigeren Fahrzeugen vergleichsweise mehr Stahl verwendet wird.
Kohlefaser weist laut energy.gov nur die Hälfte des Gewichts von Stahl auf und ist dabei viermal so fest. Potenziell kann sie das Gewicht eines Autos um bis zu 70 Prozent reduzieren. Einschränkungen? Hohe Kosten, geringe Verfügbarkeit und die Schwierigkeit, sie mit anderen Materialien zu verbinden. Sie ist außerdem schwieriger zu recyceln als Stahl oder Aluminium.
Kohlefaser kommt häufiger in der Luftfahrt zum Einsatz. Zudem wird ihre Verwendung zunehmend bei Fahrgastkabinen, Motorhauben und Fahrzeugrahmen von Premium-Automobilen populär.
Magnesium weist von allen Metallen, die für den Fahrzeugbau verwendet werden, die geringste Dichte auf. Es wird hauptsächlich im Antriebsstrang verbaut. Es wurde bereits in den 1970er Jahren genutzt, und da es sich leichter als andere leichte Materialien verarbeiten lässt, könnte es einen Wiederaufstieg erleben. Allerdings ist es teuer, bietet keine Kollisionssicherheit und ist in großen Mengen nicht zuverlässig verfügbar.
Titan wird in einigen Bereichen wie beispielsweise Abgassystemen verwendet und ist sehr hitzebeständig. Es zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit aus, ist aber auch teuer.
Kunststoffe werden im ganzen Innenraum des Autos und in Bereichen wie den Stoßstangen verbaut. Sie sind widerstandsfähig, leicht und kostengünstig. Durch Hinzufügen von hochfesten Glashohlkugeln können Kunststoffkomponenten noch leichter gemacht werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Andere Materialien werden diesem Materialmix wahrscheinlich bald hinzugefügt werden. Forscher arbeiten hart daran, weitere Legierungen und Verbundstoffe zu testen. Titanlegierungen, Legierungen auf Nickelbasis und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe sind vielversprechende Kandidaten, die sich durch Qualitäten auszeichnen, die denen anderer Materialien überlegen sind.
Sobald Autohersteller in der Lage sind, neue Materialien in der Massenproduktion zu verwenden, können sie weitere Optionen zum bereits komplexen Fertigungsprozess hinzufügen.
Die verwendeten Materialien können sich gravierend auf das Gewicht jeder einzelnen Komponente und das Gesamtgewicht des Autos auswirken.
Da bei Fahrzeugen zunehmend gemischte Materialien verbaut werden, liegt eine der größten Herausforderungen für Ingenieure darin, diese miteinander zu verbinden. Wie befestigt man eine Stahlkomponente an einem Werkstück aus Aluminium oder Kohlefaserverbundstoff? Man wird wahrscheinlich auf Klebstoffe zurückgreifen.
Nach Angaben von Shashank Modi, einem Forschungsingenieur beim Center for Automotive Research, enthielten bestimmte Fahrzeugmodelle im Jahr 2001 etwa 9 Meter Klebeband. Heute sind es bei den selben Modellen mehr als 120 Meter. Nieten sowie Schweiß- und Schraubverbindungen werden auch weiterhin verwendet. Aber gemischte Materialien werden zunehmend durch Klebstoffe zusammengehalten.
Klebstoffe lösen viele Probleme, wenn Schweißen beim Verbinden verschiedenartiger Materialien nicht möglich ist. Schrauben oder Nieten sorgen für zusätzliches Gewicht und machen Materialien anfällig für Korrosion. Klebstoffe hingegen gewährleisten eine anhaltende Verbindung. Der richtige Klebstoff kann für eine steife Naht sorgen, welche die gesamte Struktur verstärkt. Außerdem kann der Klebstoff Lücken abdichten sowie im Fahrzeuginneren Lärm und Vibrationen reduzieren und den Fahrkomfort verbessern.
Genauso wie unterschiedliche Materialien, Legierungen und Verbundwerkstoffe sich jeweils am besten für verschiedene Fahrzeugteile eignen, gibt es auch zahlreiche unterschiedliche Klebestoffe und Klebebänder entsprechend der Anforderungen und ihrer Einsatzbereiche. Autohersteller möchten zum Beispiel Aluminium- und Stahlplatten miteinander verbinden oder einen Spiegel auf der Innenseite der Windschutzscheibe befestigen.
Es gibt viele Arten von doppelseitigen Klebebändern, Epoxid-Klebefolien und unter Wärme aushärtenden Klebebändern, die sich für unterschiedliche Anwendungen eignen.
Da sich die Ansprüche der Verbraucher und die gesetzlichen Anforderungen verändern, werden Autohersteller und Zulieferer weiter nach neuen Verfahren und Technologien suchen, um diesen gerecht zu werden. Die Effizienz wird dabei wahrscheinlich immer ganz oben auf der Liste der Zielparameter stehen – ob es sich nun um ein Solarauto, ein selbstfahrendes Shuttle oder einen Lastwagen mit Verbrennungsmotor handelt.
Da sich die Ansprüche der Verbraucher und die gesetzlichen Anforderungen verändern, werden Autohersteller und Zulieferer weiter nach neuen Verfahren und Technologien suchen, um diesen gerecht zu werden. Die Effizienz wird dabei wahrscheinlich immer ganz oben auf der Liste der Zielparameter stehen – ob es sich nun um ein Solarauto, ein selbstfahrendes Shuttle oder einen Lastwagen mit Verbrennungsmotor handelt.