Deutschland hat sich zum Ziel gesetzt, sich bis zum Jahr 2020 als Leitmarkt und Leitanbieter für Elektromobilität zu positionieren. Jedoch haben Elek-troautos hierzulande nach Angaben des Bundesverband eMobilität (BEM), Berlin, bisher nur einen Marktanteil von 0,02 Prozent. Bis Oktober 2013 waren nur rund 11.000 elektrisch betriebene PKW zugelassen. Zum Vergleich: Im laufenden Jahr hat allein Tesla Motors in den USA bereits 14.000 Exemplare seines Model S verkauft. Auf Norwegens Straßen fahren 14.500 E-PKWs. Dort führten in den Monaten September und Oktober mit einem Marktanteil von 5,1 und 5,6 Prozent ein amerikanisches und ein japanisches Elektroauto die Verkaufscharts an und verdrängten den VW Golf von der Spitze. „Diese Zahlen machen deutlich: Deutschland droht im Vergleich zu anderen Ländern den Anschluss zu verlieren, wenn die Anstrengungen nicht verstärkt und die politischen Willensbekundungen zur Förderung der Elektromobilität nicht endlich in konkrete Maßnahmen umgesetzt werden“, so BEM-Präsident Kurt Sigl. Um die Anzahl der im Markt befindlichen Fahrzeuge spürbar zu erhöhen und die Zukunftsfähigkeit der deutschen Automobilindustrie zu stärken, kann man BMW mit seinem i-Label als Speerspitze hervorheben.
Mit zwei Fahrzeugen tritt man nun in den Fokus der automobilen Öffentlichkeit. Auf der einen Seite der BMW i3, bisher als Megacity Vehicle bekannt, der als erstes rein elektrisch angetriebenes Serienfahrzeug gezielt die zukünftigen Mobilitätsherausforderungen im urbanen Umfeld adressiert. Auf der anderen Seite der BMW i8, ein Sportwagen mit Plug-in-Hybrid-System aus einem kompakten Dreizylinder-Benzinmotor und einem Elektroantrieb und einer an herkömmlichen Haushaltssteckdosen aufladbaren Lithium-Ionen-Batterie.
Schon jetzt ein Kult-Image
Bringt Apple ein neues iPhone auf den Markt, stehen die Kunden Schlange, egal wie teuer der amerikanische Computer-Hersteller sein Gerät auch anbietet. Coolness und Kult, Image und Lifestyle – hier läuft alles perfekt zusammen. Ganz ähnlich scheint dies bei BMW zu funktionieren. Schon fast unheimlich ist, welch großes Echo damit erzielt wurde.
Selbst die Nachrichten-Sendung Tagesthemen hat über die Präsentation des i3 berichtet. Und die Nachfrage nach dem E-Mobil ist groß. Die Lieferzeit reicht weit bis ins Jahr 2014, die erste Auslieferungen starteten im Januar und
Februar.
Es ist nicht einfach nur ein Auto, das statt mit einem Otto- oder Dieselmotor flugs mit einem elektrischen Antrieb versehen wurde. Nein! BMW hat ein rundes Paket geschnürt, um ein wirklich ökologisches Auto zu produzieren. Die Produktionsstätten werden teilweise mit Windkraft betrieben, Energieversorgung und Wasserverbrauch, Lösungsmittelemissionen und Abfallaufbereitung wurden ebenso sorgsam durchdacht. Diese Zielsetzung erstreckt sich auf alle Standorte im Produktionsnetzwerk und umfasst die Herstellung des kohlefaserverstärkten Kunststoffs in Moses Lake im US-Bundesstaat Washington sowie die Weiterverarbeitung zu textilen Gelegen in Wackersdorf. Stichwort: kohlefaserverstärkte Kunststoffe. Ob Elektroantrieb oder Verbrennungsmotor – alle Autos müssen abspecken.
Um das Diät-Programm zu forcieren, bauen sowohl Automobilhersteller und als auch Zulieferer ihre Leichtbauteams aus und setzen zudem auf das Know-how der Kunststoffbranche. Wohl dem, der sich im Studium oder Berufsleben auf Leichtbau spezialisiert. BMW-Personalsprecher Jochen Frey merkt an, dass man Ingenieure für Elektromobilität, Informatik und sehr stark für den Leichtbau suche. Denn der Bedarf an Ingenieuren aus Maschinenbau, Werkstoffwissenschaften, Luft- und Raumfahrt sowie an Physikern und Chemikern mit Know-how im Kon-struieren und Berechnen leichter, stabiler Strukturen ist gefragter denn je. Expertise im Umformen, Fügen, Schneiden und Verbinden von Leichtmetallen und faserverstärkten Kunststoffen ist zudem begehrt. Hintergrund: Der Materialmix in Autos wird sich in den nächsten zwei Jahrzehnten aufgrund steigender Effizienzanforderungen völlig verändern.
Nachfrage steigt übergreifend
Je leichter die Autos trotz aller Sicherheitstechnik werden, desto höher die Chancen, die EU-Klimaschutzvorgaben zu erfüllen. Bei Elektroautos hat Leichtbau einen anderen Grund: Ihre Reichweite steht und fällt mit dem Gewicht. Und das gewährleisten vor allem Kohlenstofffasern. Ein entsprechend steiles Wachstum ist zu erwarten. Laut Marktbericht 2012 von Carbon Composites e.V., ist der globale Markt für Carbonfasern von 24.000 t im Jahr 2009 auf 42.000 t im Jahr 2012 gewachsen. Weil alle namhaften Hersteller aktuell dabei sind, ihre Kapazitäten massiv auszubauen, werden es 2015 bereits 73.000 t und zum Ende des Jahrzehnts 130.000 t sein. Für 2030 geht die McKinsey-Studie von 500.000 t aus. Die Zahlen beziehen sich nicht allein auf die Autoindustrie.
So arbeitet BMW unter anderem eng mit dem SGL Stiftungs-Lehrstuhl für Carbon Composites (LCC) der TU München zusammen. Die Münchener treiben mit dem Lehrstuhl konkrete Forschungs- und Entwicklungsprojekte voran und knüpfen dabei auch früh Kontakte zu potenziellen Nachwuchskräften.
Der Hersteller, der ja gerade sein Werk Landshut zum Leichtbau- Kompetenzzentrum ausgebaut hat, möchte Prozessketten beim CFK-Leichtbau raffen, Takte beschleunigen, den Nachbearbeitungs-Aufwand senken und so die für Großserieneinsätze noch zu hohen Kosten mindern. Auch muß die Gewichtsreduktion mit zusätzlichen Funktionen – etwa erhöhter Crash-Sicherheit – verbunden werden. Für Großserien sind die Faserverbundwerkstoffe jedoch nicht gerade billig. Doch die Perspektive, aus thermoplastischen Faserverbunden in schnellen Warm-Umformverfahren belastbare Bauteile zu fertigen, hat für die gesamte Branche einen hohen Stellenwert.
Komplettkarosserien aus CFK, wie beim BMW i3, werden vorerst noch eine Ausnahme sein. Die Automobilindustrie kalkuliert mit Mehrkosten von maximal 10 EUR/kg Gewichtsreduktion. Allein die Kohlenstofffasern kosten das Zwei- bis Fünffache – abgesehen von der zeitaufwendigeren Fertigung. Dennoch stehen die Chancen für den CFK-Leichtbau in der Branche besser denn je. Denn die Option, mehr Crash-Sicherheit mit weniger Gewicht zu erreichen, rechtfertigt unter bestimmten Umständen die höheren Kosten.
Zehn Jahre Forschungsarbeit
Das neue Konzept für die Produktion der i-Serie erfordert nicht nur den Einsatz moderner Leichtbau-Materialien, sondern ebenso neuartige Produktionsprozesse. BMW gewährte einen Einblick. Um das Mehrgewicht der elektrischen Komponenten zu kompensieren, setzt man auf Leichtbau und innovativen Materialeinsatz. Zudem sind Konzept und Produktion bereits im Ansatz komplett neu definiert worden. Das Life-Modul, also die Fahrgastzelle, besteht hauptsächlich aus CFK. Der Einsatz dieses Werkstoffs in dieser Größenordnung ist für die Großserienproduktion eines Fahrzeugs außergewöhnlich. Nach mehr als zehn jähriger Forschungsarbeit und Optimierung der Prozesse, Materialien, Anlagen und Werkzeuge verfügt man nun über das Know-how für eine industrialisierte CFK-Großserienproduktion.
Aus einem sogenannten Precursor, einer thermoplastischen Textilfaser aus Polyacrylnitril, entsteht bei dem BMW-SGL-Joint-Venture SGL Automotive Carbon Fibers (ACF) im amerikanischen Moses Lake die Carbonfaser. Dazu werden sämtliche Elemente der Faser in einem komplexen, mehrstufigen Prozess gasförmig abgespalten, bis nur noch eine aus nahezu reinem Kohlenstoff bestehende Faser mit stabiler Graphitstruktur vorliegt. Diese ist lediglich sieben Mikrometer (0,007 Millimeter) dünn. Für die Verarbeitung werden anschließend circa 50.000 dieser Einzelfilamente zu sogenannten Rovings oder Heavy Tows zusammengefasst und aufgewickelt. Neben den automobilen Anwendungen kommen diese Faserverbünde auch in Rotorblättern von Windenergieanlagen zum Einsatz.
Die Produktion der Fasern ist bereits Ende 2011 angelaufen, damit die Kapazität von je 1.500 Tonnen pro Jahr verfügbar ist. Damit liefern die Anlagen laut Unternehmensangaben bereits heute rund zehn Prozent der weltweiten CFK-Produktion. Am zweiten Standort des Joint Venture, im Innovationspark Wackersdorf, werden die produzierten Faserbündel im industriellen Maßstab zu leichten textilen Gelegen weiterverarbeitet. Die Fasern sind nicht miteinander verschränkt oder verwoben, sondern in einer Ebene nebeneinander angeordnet. Eine Gewebestruktur würde die Faser krümmen und die Eigenschaften teilweise reduzieren. Erst die Faserorientierung im Gelege sichert die Eigenschaften des späteren Bauteils. Heute werden mehrere tausend Tonnen Carbonfaser-Gelege hergestellt. Diese bilden das Ausgangsmaterial für die Herstellung von CFK-Bauteilen und CFK-Komponenten in den BMW Werken in Landshut und Leipzig. CFK-Verschnitt wird in Wackersdorf wiederaufbereitet und kommt in anderen Modellen wieder zum Einsatz. Rund zehn Prozent der beim BMW i3 eingesetzten Menge an Carbonfaser sind recyceltes Material.
Die Rezeptur, also die Zusammensetzung, Festigkeit und Geometrie der CFK-Teile, kann im Presswerk, abhängig von den konstruktiven Vorgaben, individuell jederzeit während des Herstellungsprozesses geändert oder angepasst werden. Das aus Wackersdorf angelieferte zugeschnittene Kohlefasergelege erhält zunächst im sogenannten Preform-Prozess seine spätere Form. Ein Heizwerkzeug verleiht dem Lagenpaket eine stabile, dreidimensionale Form. Mehrere dieser vorgeformten Preform-Rohlinge können dann zu einem größeren Bauteil zusammengefügt werden. So lassen sich beispielsweise die großflächige Karosseriebauteile wie die Seitenwände des i3 herstellen. Die Werkzeuge dafür kommen aus Portugal von einem der größten europäischen Formenbauer Simoldes Gruppe aus Oliveira de Azeméis in der Nähe von Porto.
Nach dem Konfektionieren und Vorformen folgt der nächste Prozessschritt: das Harzen unter Hochdruck nach dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding). Bei dem RTM-Harzinjektions-Verfahren werden die Preform-Rohlinge unter hohem Druck mit flüssigem Harz injiziert. Erst durch die Verbindung der Fasern mit dem Harz und das anschließende Aushärten erhält das Material seine Steifigkeit und damit seine Eigenschaften. Mit einer Zuhaltekraft von bis zu 4.500 Tonnen arbeitet dann das Presswerk nach genau definierten, eigenentwickelten Zeit-, Druck- und Temperaturparametern, bis sich das Harz mit dem Härter vollständig verbunden hat und ausgehärtet ist. Das neue, speziell auf CFK ausgelegte Presswerk ist mit einer konventionellen Stahlblechherstellung nicht vergleichbar.
So reduzierte beispielsweise der Wegfall einer klassischen Lackier-erei und der kathodischen Tauchbadlackierung die Baukosten. Das Produktionsverfahren spart Zeit und ermöglicht so erst die Industrialisierung großer CFK-Verbundbauteile. „Hochdruck-RTM-Pressen ermöglichen nicht nur eine kürzere Zykluszeit für komplexe Bauteile mit hohen Anforderungen an Geometrie und Festigkeit, sondern auch eine gleichmäßige, wiederholbar hohe Bauteilqualität und Oberflächengüte“, sagt Produktmanager Raimund Zirn vom Pressenhersteller Schuler, Göppingen. Sogenannte Voids, das heißt harzfreie Vakuum-Poren oder Lücken innerhalb oder am Rand des Bauteils, sind nahezu ausgeschlossen. „Durch die Vakuumisierung, die schnelle Harz-Injektion, die hohen Harzdrücke und die temperierten Werkzeuge beginnt das Gelieren quasi schon mit der Benetzung der letzten Faser“, erklärt Raimund Zirn. Zwischen vier und acht Minuten dauert der Aushärteprozess – je dicker das Bauteil, umso länger, weil sich die Reaktionswärme dann nicht mehr so leicht ins Werkzeug abführen lässt. Abhängig vom Bauteil schwanken auch die erforderlichen Harzdrücke zwischen 30 und 150 bar. Für großflächige Außenhaut-Bauteile sind bei Spannflächen von 3.600 x 2.400 mm Presskräfte von insgesamt 36.000 kN und mehr erforderlich.
Einen nicht unerheblichen Zeitanteil am RTM-Zyklus benötigen das Preform- und Bauteil-Handling sowie die erforderliche Werkzeugreinigung, die zwei bis drei Minuten in Anspruch nimmt. „Dabei geht es insbesondere um die Entfernung von sogenanntem Flitt, das sind Kunststoffreste, die vor allem im Bereich der im Unterwerkzeug sitzenden Polymerdichtung anhaften“, ergänzt Raimund Zirn. Schuler stattet die RTM-Pressen auch mit zwei Shuttle-Schiebetischen aus, sodass ein gemeinsames Oberwerkzeug mit zwei alternierend einfahrenden Unterwerkzeugen betriebenen werden kann. Der Stillstand reduziert sich so auf die Austauschzeit der Unterwerkzeuge, die bei zum Beispiel 4,5 m Fahrweg je Schiebetisch etwa 20 s beträgt.
Beitrag für eine neue Fahrzeug-Generation
Selbst komplexe Baugruppen wie zum Beispiel ein kompletter Seitentürrahmen des i3-Life-Moduls verlassen die Anlage mit vielen integrierten Strukturelementen. Auch Krauss Maffei, München, trägt als Lieferant von verfeinerten Verfahren mit hochwertigen Spritzgießmaschinen in Wendeplattentechnologie sowie mit dem ausgereiftem Hochdruck-Resin-Transfer-Molding-Verfahren (HD-RTM) dazu bei. „Das ist unser Beitrag für eine neue Fahrzeug-Generation, um Leichtbau und Elektro-Mobilität zum Durchbruch zu verhelfen“, sagt Nicolas Beyl, President des Segments Reaktionstechnik. Das Münchener Unternehmen hat an BMW Anlagen der Spritzgieß- und Reaktionstechnik geliefert, unter anderem zwei Doppelwendeplatten-Maschinen, die mit zwei Industrierobotern vollständig automatisiert sind. Die MX 4000-17200/12000/750 WL sind jeweils 24 Meter lang, neun Meter breit, sieben Meter hoch und 400 Tonnen schwer.
Auf ihnen werden mit 4.000 Tonnen Schließkraft die Thermoplast-Außenhäute des i3 gefertigt. Durch das Verfahren Fügen im Spritzguss werden die Tür-Außenschale und ihre Unterstruktur in einem Arbeitsgang gespritzt, mit dem Drehen der beiden Wendeplatten zusammengeführt und mit einer dritten Kunststoffkomponente verklebt. Neben den Seitenwänden und dem Stoßfänger hinten kommt auch die Frontklappe des BMW i3 aus einer Krauss Maffei Spritzgießmaschine. Neben Spritzgießtechnologien und Automatisierungslösungen ist das Segment Reaktionstechnik am BMW i3 beteiligt. 20 Anlagen für Hochdruck-Resin-Transfer-Molding (HD-RTM) liefern in den BMW-Werken Leipzig und Landshut Bauteile aus Reaktivharzen für die tragenden Strukturen, zum Beispiel den Seitenrahmen. HD-RTM ermöglicht das Verarbeiten von schnell reagierenden Harzsystemen, um kurze Zykluszeiten zu erreichen. Die Hochdruckinjektion ermöglicht einen hohen Benetzungsgrad der Fasern.
Verbindung mit dem Life-Modul
Die produzierten CFK-Verbundbauteile aus dem neuen Presswerk Leipzig sowie angelieferte CFK-Teile aus dem Presswerk Landshut werden in einer neuen Karosseriebauhalle zusammengefügt. Aus etwa 150 Teilen, das sind etwa ein Drittel weniger als im konventionellen Stahlblechbau, entsteht die Grundform des Life-Moduls eines BMW i3. Es kommt ausschließlich Klebetechnik zum Einsatz und die ist zu 100 Prozent automatisiert. In dem von BMW entwickelten Fügeprozess werden dazu die einzelnen Bauteile berührungslos bis auf einen Klebespalt von 1,5 Millimeter zusammengefügt, um nach dem Klebevorgang eine optimale Festigkeit zu gewährleisten. Bei dem neu entwickelten Fertigungsprozess stehen alle Verbindungsbauteile im Life-Modul immer mit gleichem Abstand zueinander und bekommen so die gleiche Menge Klebstoff. Nur diese Präzision garantiere eine perfekte Kraftübertragung zwischen den einzelnen CFK-Bauteilen und somit höchsten Qualitätsstandard in der Großserie. In der Summe ergebe sich pro Auto eine genau definierte Klebestrecke von 160 Meter Länge und 20 Millimeter Breite.
Um Aushärtezeit der Klebeverbindungen für die Großserienproduktion des BMW i3 zu minimieren, hat BMW den Aushärteprozess beschleunigt. Um nun die Aushärtezeit weiter bis in den einstelligen Minutenbereich zu reduzieren, hat BMW einen zusätzlichen thermischen Prozess entwickelt. Dafür würden bestimmte Heftstellen an den zu klebenden CFK-Teilen zusätzlich aufgeheizt, um den Aushärteprozess noch einmal um das 32fache zu beschleunigen. Die in Leipzig hergestellte hochfeste CFK-Fahrgastzelle (Life-Modul) gelangt vom Karosseriebau in die neue Montagehalle und erfährt dort ihre Hochzeit mit dem Aluminium-Drive-Modul. Das aus Dingolfing angelieferte Drive-Grundmodul wird erst in Leipzig komplettiert, bevor mittels einer Schraub-Klebe-Verbindung eine untrennbare Verbindung mit dem Life-Modul stattfindet. Erst danach erhält die innere CFK-Life-Modul-Zelle ihr finales äußeres Kunststoffkleid. Für die lackierte mehrteilige Außenhaut kommen vorwiegend Thermoplast-Spritzguss-Kunststoffe zum Einsatz, wie sie auch im herkömmlichen Fahrzeugbau Verwendung finden (Front-/Heckschürzen, Schweller). Die farbigen Kunststoffformteile werden dazu unauffällig über spezielle Halterungen bei der Endmontage auf die innere Life-Modul-Zelle aufgeschraubt.
Im Laufe der Entwicklungsarbeit wurde auch ein Recy-clingkonzept für CFK-Bauteile, Karosserieteile und sortenreine Produktionsabfälle bis zur Serientauglichkeit entwickelt. In verschiedenen Verfahren werden die Wertstoffe schon aus der Produktion und sogar von Unfall-/Altfahrzeugen im Automobilbau wiederverwertet und entweder dem Produktionsprozess erneut zugeführt oder in anderen Anwendungen eingesetzt, betonen die Experten. Beim Wiederaufbereitungsprozess wird zwischen Carbonfaser-Recy-cling mit trockenem, also nicht verharztem Material, und dem Verbundstoff-Recycling (CFK), bei dem nasse, schon mit Harz versetzte Kunststoffe zum Einsatz kommen, unterschieden. Die trockenen Carbon-Verschnittreste, die während der Produktion anfallen, könnten wieder zu hochwertigen Vliestextilien aufbereitet und zur Weiterverwendung in den Herstellungskreislauf eingehen. Rund zehn Prozent der beim i3 eingesetzten Carbonfasermenge seien bereits heute recyceltes Material.
Beim Verbundstoffrecycling - also der Verarbeitung der mit Harz vernetzten Carbonfasern – wird CFK zunächst aus der Mischung mit anderen Kunststoffen großtechnisch abgetrennt und beispielsweise in einer Pyrolyseanlage verarbeitet. Die Prozesswärme des Harzabbaus wird zur Abtrennung der unbeschädigten Kohlefasern verwendet. Diese Fasern können dann bei der Herstellung von Bauteilen eingesetzt werden und reduzieren den Bedarf an neuen Fasern. Beispielsweise wird die Rücksitzbank-Sitzschale aus so recycelten Kohlefasern gefertigt. Gemahlen oder als Kurzfaser geschnitten, kommen das recycelte CFK beziehungsweise die Carbonfasern auch außerhalb der Autoindustrie in vielen Bereichen wieder zum Einsatz, wie es heißt. Sie könnten zum Beispiel in der Textilindustrie oder in der Elektronikindustrie (Gehäusewerkstoff für Steuergeräte) eingesetzt werden.
Das gesetzte Ziel erreichen
Damit Deutschland sich den gesetzten Ziel bis zum Jahr 2020 als Leitmarkt und Leitanbieter für Elektromobilität zu fungieren zu können, schneller nähert, hat BMW viel in die Prozesskette einer effizienten Faserverbundproduktion investiert und verschafft so auch dem Standort Deutschland einen Vorsprung für weitere Projekte. Trotz der hohen Preise könnte BMW mit beiden i-Modellen also auf dem richtigen – sprich erfolgreichen – Weg sein.
