BMW Werkstoffe:
Integriertes Know-how von der Forschung bis zur
Fertigung.
Höchste Funktionalität auf leichte Art: Intelligente Materialentwicklung
im Karosserie- und Motorenbau.
Der BMW 5er ist ein Phänomen: Er ist spürbar dynamischer als das
Vorgängermodell, er bietet mehr Platz im Innenraum und überzeugt mit einer
erheblich umfangreicheren Komfort- und Sicherheitsausstattung. Dennoch wurde in
einer Disziplin kein Wachstum erzielt. Im Gegenteil: Der BMW 5er ist je nach
Modell um bis zu 75 Kilogramm leichter als sein Vorgänger. Dass es den
Fahrzeugentwicklern gelang, die Gewichtsspirale zu durchbrechen, ist vor allem
dem gezielten Einsatz moderner Materialien mit entsprechenden Konzept-,
Konstruktions- und Verfahrensfortschritten zu verdanken.
BMW, Innovative
Materialkonzepte, Magnesium Lenkspindelgehäuse
Damit dies auch in Zukunft gelingt, suchen die Spezialisten aus dem Bereich
Betriebsfestigkeit und Werkstoffe im Münchner Forschungs- und Innovationszentrum
(FIZ) permanent und für jedes Bauteil nach den am besten geeigneten Werkstoffen
und entwickeln die dazugehörigen Herstellungsverfahren. Ihr Know-how ist stets
aufs Neue gefordert, denn einen für alle Einsatzzwecke und jedes Modell perfekt
geeigneten Werkstoff kann es nicht geben. Vielmehr ist ein intelligenter
Materialmix gefragt. Abgestimmt auf das jeweilige Fahrzeugkonzept und seine
Anforderungen forschen die Spezialisten für jedes Bauteil nach dem richtigen
Werkstoff. Dabei entwickeln sie teilweise neuartige Materialien, die
unterschiedliche Vorzüge in einer bisher unbekannten Weise miteinander
verbinden. Im Idealfall weist jeder neue Werkstoff nicht nur eine gesteigerte
Funktionalität, sondern auch eine maximale Belastbarkeit und Langlebigkeit sowie
ein optimiertes Gewicht auf.
Neben dem Wunsch nach mehr Komfort und neuen Funktionalitäten sind auch
gesetzliche Bestimmungen – etwa auf dem Gebiet der Sicherheit oder der
Abgasreinigung – immer wieder Auslöser für eine Gewichtszunahme bei modernen
Fahrzeugen. Für BMW ist dies ein Grund mehr, dem allgemeinen Trend zu immer
größeren und attraktiveren, zugleich aber auch immer schwereren Automobilen ein
intelligentes Konzept entgegenzusetzen: So wird bei BMW zusätzliche Dynamik mit
weniger Verbrauch, geringeren Emissionen und einem reduzierten Gewicht
kombiniert. Das sind die Zielsetzungen, von denen die Entwicklungsstrategie der
effizienten Dynamik bestimmt wird.
Mit neuen Materialien lassen sich in nahezu allen Bereichen des Automobils
Gewichtsvorteile erzielen. Mit hochentwickelten Metalllegierungen kann – wie das
Beispiel von Trägern aus hoch- und höchstfestem Stahl zeigt – die Belastbarkeit
der Bauteile mit erheblich geringerem Materialeinsatz auf das erforderliche
Niveau gebracht werden. Selbst die Tatsache, dass einige besonders leichte
Metalle neben ihren Vorzügen auch negative Eigenschaften aufweisen – etwa
Empfindlichkeit gegenüber Wasser –, hält die Entwicklung nicht auf. Mit
speziellen Fertigungsverfahren und völlig neuartigen Verbundtechniken werden die
Charakteristika der ausgewählten Werkstoffe optimiert. So besteht beispielsweise
die Leichtbau-Bremsscheibe des neuen BMW 5er aus einem Grauguss-Reibring und
einem Aluminium-Innentopf. Aus Gründen der Verschleißbeständigkeit und der
Wärmekapazität bleibt Grauguss als Material für den Reibring erste Wahl. Jedoch
kann mit der Verwendung von Aluminium für den Innentopf das Gewicht reduziert
werden. Der damit verbundene Fertigungsaufwand zahlt sich aus: Da die
Bremsscheiben zu den ungefederten Massen gehören, trägt die Gewichtsoptimierung
an dieser Stelle erheblich zur Steigerung der Fahrdynamik bei.
Auch die Entwicklung von Kunststoffen hat, beeinflusst von neuen
wissenschaftlichen Erkenntnissen und intensiver praxisorientierter Forschung, an
Dynamik gewonnen. Die Einsatzmöglichkeiten für Kunststoffe konnten mithilfe von
weiterentwickelten Werkstoffsystemen und prozessoptimierten Verfahren erweitert
werden, weil sich die Vielfalt der in diese Kategorie einzuordnenden Materialien
rasant erhöht hat. Für nahezu jeden Einsatzzweck können synthetische Werkstoffe
entwickelt werden, deren Eigenschaften exakt auf die Anforderungen des später
daraus zu fertigenden Bauteils abgestimmt werden.
Die Natur macht es vor: Optimale Strukturen für weniger Gewicht.
Bei ihrer Forschungs- und Entwicklungsarbeit lassen sich die Spezialisten von
BMW immer wieder von der Natur leiten. Wer beispielsweise die Struktur von
Pflanzen oder den Aufbau des Bewegungsapparats bei Säugetieren und Vögeln
betrachtet, stellt fest, dass die Evolution erstaunliche Muster für effizienten
Materialeinsatz hervorgebracht hat. Sie können zwar niemals eins zu eins kopiert
werden, dienen aber dennoch oft als Vorbild und Inspiration für technische
Innovationen. Es lohnt sich, die Oberflächenstrukturen von Pflanzen, die
flexible Ausformung von Knochen oder auch die in der Natur vielfach
perfektionierte Konzentration von Material an hoch belasteten Stellen
genauestens zu analysieren, um daraus Anregungen für die Entwicklung neuer
Werkstoffe zu gewinnen.
Die Hohlstruktur von Vogelfederkielen dient beispielsweise als natürliches
Vorbild für die Metallfertigung. Sie animierte die Spezialisten von BMW zu der
Verfahrenstechnik Innenhochdruck-Umformung (IHU). Dabei werden Metallrohre
zunächst gebogen und anschließend in ein Umformwerkzeug eingelegt. An beiden
Rohrenden wird dann unter hohem Druck ein Hydraulikfluid oder Luft eingepresst,
bis das Metall die Kontur des Werkzeugs angenommen hat. Diese Fertigungstechnik
ermöglicht Bauteilgeometrien, die den jeweils vorhandenen Bauraum optimal nutzen
und außerdem Gewicht sparen. Die im IHU-Verfahren entstandenen Bauteile sind –
ähnlich wie Vogelfederkiele – robust, leicht und zugleich flexibel.
Ein weiteres natürliches Prinzip wird bei der Fertigung der Instrumententafel
für den neuen BMW 3er genutzt. Beim Spritzguss-Integralschäumen werden der
Kunststoffschmelze Treibmittel zugesetzt, die – ähnlich wie Hefe im Kuchen –
unter Hitzeeinfluss Gas freisetzen. Um diesen Effekt zu nutzen, wird die mit
Kunststoffschmelze gefüllte Werkform um einen exakt definierten Hub geöffnet,
sobald die Oberfläche des Bauteils erstarrt ist. Dabei fällt der Druck im noch
flüssigen Inneren des Bauteils ab und das Gas kann die Kunststoffschmelze
aufschäumen. Die so gefertigte Instrumententafel ist um rund 20 Prozent leichter
als herkömmliche Armaturenbretter gleicher Größe.
Einzigartig: Fahrzeug-Unterbodenverkleidung mit vielen Funktionen.
Die vollflächige Verkleidung des Unterbodens beim BMW 5er bewirkt eine
erhebliche Verbesserung der Aerodynamik. Sowohl der Luftwiderstand als auch die
Auftriebskräfte sind auf diese Weise reduziert worden. Ebenso bemerkenswert ist
der Werkstoff, der für die Abdeckungen verwendet wird. Low Weight Reinforced
Thermoplastics (LWRT) sind das Ergebnis eines Entwicklungsprozesses, bei dem die
Gewichtsreduzierung bei mindestens gleich bleibender Funktionalität erfolgreich
für den Kunden umgesetzt wurde. Gegenüber den zuvor üblichen
Kunststoffverkleidungen fallen die neuen LWRT-Verkleidungen um rund 30 Prozent
leichter aus. Zusätzlich wurden die akustischen Eigenschaften und der Schutz vor
Wasser und Steinschlag verbessert.
 BMW,
Innovative Material Konzepte, Leichte Unterbodenverkleidung
Das neue LWRT-Material besteht aus zwei Komponenten. In einem speziellen
Verfahren wird eine Kernschicht aus glasfaserverstärktem Thermoplast beidseitig
mit einer Thermoplastfolie versiegelt und bildet so zunächst ein flächiges, so
genanntes Halbzeug – also ein Zwischenprodukt im Fertigungsprozess – in Gestalt
einer sortenreinen Sandwichstruktur. In einem zweiten Arbeitsschritt kann dann
das Halbzeug durch Druck und Temperatureinwirkung in seine endgültige
geometrische Form gebracht werden. Dabei wird das Material an den Rändern und im
Bereich von Befestigungspunkten, an denen der Unterboden mit der Karosserie
verschraubt wird, kompakt verpresst. In den übrigen Bereichen bleibt die
Sandwichstruktur erhalten und trägt zur extremen Biegefestigkeit des Bauteils
bei. Durch die gute Umformbarkeit des Halbzeugs und die Darstellung
unterschiedlicher Wandstärken kann die Geometrie des Bauteils für verschiedene
Anforderungen ausgelegt werden.
BMW ist der weltweit einzige Hersteller, der für die Unterbodenverkleidungen
seiner Fahrzeuge über ein derart anspruchsvolles Werkstoffsystem verfügt. Das
neue LWRT-Material wurde für die Unterbodenverkleidung des BMW 5er entwickelt.
Unmittelbar nach der Premiere 2004 wurde diese Werkstoffinnovation von der
angesehenen Society of Plastic Engineers (SPE) mit dem „Oscar der
Kunststoffindustrie“, dem SPE Award, ausgezeichnet. Im gleichen Jahr erhielt das
Werkstoffsystem von der Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe (AVK-TV) den
Innovationspreis. Mittlerweile wird LWRT auch in den Modellen der BMW 3er und
BMW 1er Reihe eingesetzt.
Neuer Strukturschaum schafft starke Verbindungen.
Mehr Funktionalität, weniger Gewicht: Ein weiteres Beispiel dafür, wie diese
beiden Ziele mit neuartigen Materialien erreicht werden, bietet die
Karosseriestruktur des BMW 5er Touring. Die Integration des Panoramadachs führte
zu einer Optimierung der Fahrzeugstruktur im Bereich der A-, B- und C-Säulen.
Dies stellte die Materialentwickler vor neue Herausforderungen. Ziel der
Werkstoffentwicklung war es, eine möglichst hohe dynamische
Karosseriesteifigkeit zu garantieren und den Schwingungskomfort zu optimieren,
ohne dabei das Fahrzeuggewicht zu erhöhen. Anstelle von Stahlschotten
beziehungsweise Profilen mit höherer Wandstärke wird deshalb nun ein neu
entwickelter, erheblich leichterer Strukturschaum eingesetzt.
 BMW,
Innovative Materialkonzepte, Karosserie BMW 5er Touring mit Strukturschaumteilen
Dieser Werkstoff
wird im Karosseriebau in die Fahrzeuge eingebracht. Die Strukturschaumelemente
dehnen sich während des Lackiervorgangs nach klar definierten Vorgaben aus und
erhöhen die dynamische Steifigkeit des Fahrzeugs. Im Vergleich zur herkömmlichen
Stahlbauweise führt der Einsatz der Strukturschaumelemente darüber hinaus zu
einer Gewichtsersparnis von rund zehn Kilogramm. Das neue Werkstoffsystem wurde
zudem besonders schnell und effizient in den bestehenden Fertigungsablauf
integriert, da Schweißfolgen für die Einbringung der Teile entfallen konnten.
Kunststoff-Seitenwand für mehr Dynamik.
Gewichtsoptimierte Materialien kommen bei BMW immer erst dann zum Einsatz,
wenn sie in ihrer Funktionalität den konventionellen Werkstoffen mindestens
ebenbürtig sind. Die Kriterien, an denen Funktionalität gemessen wird, sind
vielfältig. Stabilität und Langlebigkeit gehören ebenso dazu wie optische und
haptische Eigenschaften, die vom Kunden registriert werden. Doch auch auf den
Fertigungsprozess sowie auf das Design wirken sich die Eigenschaften eines neuen
Werkstoffs in der Regel aus.
 BMW,
Innovative Materialkonzepte, BMW 3er Coupé, Leichte Kunststoff-Seitenwand
Optimal sind folglich Materialien, die sich flexibel formen und problemlos
verarbeiten lassen, die hochwertig wirken und ihre Qualität auf Dauer behalten.
Ein anschauliches Beispiel dafür ist die aus Kunststoff gefertigte vordere
Seitenwand für das neue BMW 3er Coupé. Sie wird aus einem neuartigen
Thermoplast-Material gefertigt, ihr Gewicht liegt um 50 Prozent unter dem einer
Seitenwand aus Stahl.
Um rund drei Kilogramm sinkt damit das Gewicht des Coupés. Und weil dieser
Fortschritt im Bereich der Vorderachse erzielt wird, kommt er in vollem Umfang
der Fahrdynamik zugute. Dank des leichten Materials am Vorderwagen wird nicht
nur das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert, auch die ausgewogene
Achslastverteilung im idealen Verhältnis von 50 : 50 lässt sich besser
realisieren. Für die Fertigung bleibt der Materialwechsel von Stahl zu
Hightech-Kunststoff ohne Auswirkungen. Die Kunststoff-Seitenwände lassen sich
jetzt online, also direkt ohne den Umweg über eine Sondermontage, in den
Lackierprozess integrieren. Im Gegensatz zu früheren Kunststoff-Bauteilen müssen
sie nicht mehr gesondert lackiert und anschließend fertig montiert werden. Sie
können gemeinsam mit der gesamten Rohkarosse den normalen Lackierprozess
durchlaufen. Aufgrund ihrer hohen Wärmeformbeständigkeit sowie der optimierten
Längenausdehnung und Feuchtigkeitsaufnahme weisen die fertig lackierten
Seitenwände auch optisch die gleichen Eigenschaften wie herkömmliche
Stahl-Bauteile auf.
BMW, Innovative
Materialkonzepte, BMW 3er Coupé, Kunststoff-Seitenwand
Auch für das Design schafft der neue Werkstoff verbesserte Möglichkeiten. Das
Material ist flexibler formbar als Stahl – ein Umstand, der den Designern neue
Freiheiten in der Formgebung eröffnet. Hinzu kommt eine Eigenschaft, die schon
bei der Entwicklung von reversiblen Stoßfängern zu großen Kundenvorteilen
geführt hat. Die Kunststoff-Seitenwand ist weitgehend resistent gegen
Bagatellbeschädigungen. Das Bauteil springt bei leichten Deformationen in seine
ursprüngliche Form zurück. Kollisionen bei minimalem Tempo, zu denen es
beispielsweise beim Rangieren auf Parkplätzen kommen kann, hinterlassen kaum
dauerhafte Spuren.
Magnesium im Motorenbau: BMW steht an der Spitze.
Magnesium gilt als High-Tech-Material und Symbol für zukunftsweisenden
Automobilbau. Doch wie groß ist das Potenzial dieses Metalls tatsächlich?
Bei den Materialentwicklern der BMW Group geht dieser Einschätzung eine
nüchterne Abwägung voraus. Magnesium steht im Wettbewerb mit Stahl, Aluminium
und Kunststoff. Ein offensichtlicher Vorteil ist sein geringes Gewicht:
Magnesium ist um etwa 60 Prozent leichter als Stahl. Auch gegenüber Aluminium
fällt sein Gewicht um 30 Prozent geringer aus. Doch in den Disziplinen
Biegefestigkeit, Formbarkeit, Temperaturbeständigkeit und Korrosionsanfälligkeit
reichen erst neuartige Magnesium-Legierungen an die Konkurrenten Stahl und
Aluminium heran.
 BMW,
Innovative Materialkonzepte, Magnesium Lenkrad
Grundsätzlich ist abzuwägen, wo sich der Materialeinsatz
tatsächlich lohnt, denn Rohstoffpreise und komplizierte Gieß- und
Fertigungsverfahren erschweren zunächst einmal den Einsatz von Magnesium in noch
größerem Stil. Dennoch haben sich die Anwendungsbereiche für dieses Metall in
der jüngsten Vergangenheit erheblich erweitert. Sitzrahmen und Lenkradkränze
werden im Magnesiumgussverfahren gefertigt. Auch Instrumententräger aus
Magnesium sorgen für erhebliche Gewichtseinsparungen.
Ein besonders eindrucksvolles Beispiel dafür, wie der Einsatz von Magnesium
unmittelbar zu mehr effizienter Dynamik führen kann, ist der
Reihensechszylinder-Motor von BMW. Der erstmals im BMW 330i präsentierte Antrieb
mobilisiert aus einem Hubraum von 3,0 Litern eine Leistung von bis zu 195 kW/265
PS – und das bei einem Motorgewicht von nur 161 Kilogramm. Beim
Reihensechszylinder-Motor wird das Kurbelgehäuse aus einem
Magnesium-Aluminium-Verbund gefertigt. Zu diesem Zweck wurde eigens ein völlig
neuartiges Gussverfahren entwickelt, das es ermöglicht, beide Metalle in
optimaler Weise miteinander zu verbinden. Zusätzlich kommt Magnesium im Bedplate
und in der Zylinderkopfhaube des Sechszylinders zum Einsatz. Zusammen mit
weiteren Maßnahmen bewirkt die Einführung des
Magnesium-Aluminium-Verbundkurbelgehäuses eine Gewichtsreduzierung von rund 10
Kilogramm gegenüber dem ursprünglichen Reihensechszylinder-Motor. Mit dem
reduzierten Gewicht im Frontbereich des Fahrzeugs wurde ein direkter Beitrag zur
gleichmäßigen Achslastverteilung und damit zur Agilität geleistet.
Kurbelgehäuse aus Magnesium (rechts), bis zu 25% leichter als vergleichbare
Alu-Gehäuse
Für zukünftige Anwendungen setzen die Material- und Fahrzeugentwickler der
BMW Group auf neue Legierungen des Metalls Magnesium. Reizvoll wäre der Einsatz
von Magnesium vor allem im Fahrwerksbereich, wo auf diese Weise eine erhebliche
Reduzierung der ungefederten Massen erreicht werden könnte. Die Verwirklichung
derartiger Vorstellungen ist eine Gemeinschaftsaufgabe der Materialforschung,
der Automobilhersteller, der Zulieferer und der Produktionstechniker. Aufgrund
der bereits heute gesammelten Erfahrungen und der hohen technischen Kompetenz
des Unternehmens steht die BMW Group an der Spitze dieser Entwicklung.
Quelle: BMW Presse-Information vom 25.04.2006
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Einleitung
, bis zu 25% leichter als vergleichbare Aluminiumgehäuse (links)&cpy=bmw)
