Kategorie: BMWi Elektro Produktion

BMW-Modellreihe: I01

29.07.2013
BMW i3 - Konsequent nachhaltig: Die Produktion.
 

Mit dem LifeDrive-Konzept verfügt der BMW i3 über eine einzigartige Fahrzeugarchitektur, die sämtliche technischen Anforderungen eines Elektroantriebs erfüllt und mit niedrigem Gewicht, maximaler Reichweite, großzügigem Raumangebot, souveränen Fahreigenschaften sowie hoher Sicherheit vereint. Die innovative Architektur besteht aus zwei Elementen: dem fahraktiven, aus Aluminium gefertigten Drive-Modul, in das der Antrieb, das Fahrwerk und der Energiespeicher integriert sind, und dem Life-Modul aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK), das die Fahrgastzelle bildet. Zur Umsetzung dieses revolutionären Ansatzes hat die BMW Group ebenso neuartige Fertigungsprozesse etabliert, die wegweisende Impulse für die gesamte Automobilindustrie setzen. Dieses neue Produktionskonzept war außerdem ein zentraler Stellhebel, um den Nachhaltigkeitsansatz von BMW i in der Fertigung umzusetzen.

BMW i als Vorreiter für den Einsatz von CFK im Automobilbereich.

Ein elementarer Bestandteil des Fahrzeugkonzepts ist der umfassende Einsatz von carbonfaserverstärktem Kunststoff. Die aus CFK gefertigte Fahrgastzelle sorgt dafür, dass der elektrisch angetriebene BMW i3 einschließlich seiner Batterieeinheiten nicht schwerer ist als ein vergleichbares Fahrzeug mit herkömmlichem Antrieb und gefülltem Kraftstofftank. Der Einsatz von CFK in der beim BMW i3 realisierten Größenordnung ist weltweit einzigartig in der Automobilbranche. Die BMW Group übernimmt auch auf diesem Gebiet eine Vorreiterrolle – nicht allein bei der Nutzung des innovativen Werkstoffs, sondern auch bei der Produktion und Verarbeitung von CFK.

BMW i3 Produktion im Werk Leipzig

In Moses Lake im US-Bundesstaat Washington betreibt die BMW Group gemeinsam mit ihrem Joint Venture Partner SGL Group ein Carbonfaserwerk, das fest in die Wertschöpfungskette für die Produktion von BMW i Automobilen integriert ist. Die BMW Group sichert sich damit die Versorgung mit hochwertigen und nachhaltig produzierten Grundstoffen für die Fertigung von CFK-Komponenten. Die Tatsache, dass damit alle Prozessschritte unmittelbar unter ihrem Einfluss stehen, verhilft der BMW Group zu einer einzigartigen Position in der Industrie.

Das Carbonfaserwerk wurde mit einem Investitionsvolumen von rund 100 Millionen US-Dollar (72 Millionen Euro) errichtet. Bislang wurden in Moses Lake 80 neue Arbeitsplätze geschaffen. Damit die Serienfertigung des BMW i3 planmäßig beginnen kann, läuft die Produktion der ultraleichten Hightech-Fasern bereits seit Ende 2011. Zwei Produktionslinien mit einer Kapazität von aktuell je 1.500 Tonnen pro Jahr sorgen für den erforderlichen Nachschub. Damit liefern die Anlagen schon heute rund zehn Prozent der weltweiten CFK-Produktion.

Nachhaltige Carbonfaser-Produktion in Moses Lake: Energiebedarf wird zu 100 Prozent aus Wasserkraft gedeckt.

SGL Automotive Carbon Fiber in Moses Lake

Aus einem sogenannten Precursor, einer thermoplastischen Textilfaser aus Polyacrylnitril, entsteht in 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, ein menschliches Haar dagegen misst rund 50 Mikrometer. Für die Verwendung im Automobilbereich werden anschließend ca. 50.000 dieser Einzelfilamente zu sogenannten „rovings“ oder „heavy tows“ zusammengefasst und für die Weiterverarbeitung aufgewickelt. Neben den automobilen Anwendungen kommen die Faserverbünde der genannten Stärke zum Beispiel auch in großen Rotorblättern von Windenergieanlagen zum Einsatz.

Schon bei der Herstellung der Carbonfasern in Moses Lake wird die Produktionsenergie ausschließlich regenerativ aus lokal verfügbarer Wasserkraft gewonnen und ist damit zu 100 Prozent CO2-frei. Auch in Sachen Energieeffizienz setzt das hochmoderne Werk im US-Bundesstaat Washington Maßstäbe. Im Vergleich zur konventionellen Carbonfaserherstellung beträgt die Einsparung an CO2e (Treibhauspotenzial) rund 50 Prozent.

Wackersdorf: Verarbeitung zu textilen Gelegen.

Am zweiten Standort des Joint Venture, im Innovationspark Wackersdorf, werden die in Moses Lake produzierten Faserbündel im industriellen Maßstab zu leichten textilen Gelegen weiterverarbeitet. Anders als bei Geweben sind die Fasern nicht miteinander verschränkt oder verwoben, sondern in einer Ebene nebeneinander angeordnet. Eine Gewebestruktur würde die Faser krümmen und die hervorragenden Eigenschaften teilweise reduzieren. Denn erst die Faserorientierung im Gelege gewährleistet die optimalen Eigenschaften des späteren Bauteils.

Nach einer Investition von 20 Millionen Euro und der Schaffung von rund 100 neuen Arbeitsplätzen können am Standort Wackersdorf schon heute mehrere tausend Tonnen Carbonfaser-Gelege pro Jahr hergestellt werden. Diese bilden das Ausgangsmaterial für die Herstellung von CFK-Bauteilen und CFK- Komponenten in den BMW Werken in Landshut und Leipzig.

Landshut: Weiterverarbeitung zu CFK-Komponenten.

Die aus Wackersdorf angelieferten Carbonfaser-Gelege werden in den Presswerken in Landshut und Leipzig zu CFK-Karosserieteilen weiterverarbeitet. In Landshut ist es den Spezialisten der BMW Group gelungen, den Fertigungsprozess für CFK-Bauteile in den vergangenen zehn Jahren so weiterzuentwickeln und zu automatisieren, dass heute eine wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Großserienfertigung mit hoher Prozesssicherheit möglich ist. Schon seit geraumer Zeit werden in Landshut die Dächer für die Modelle BMW M3 und BMW M6 in industrialisierter CFK-Produktion gefertigt.

Nach einer Investition von 40 Millionen Euro und dem Start der Carbon- Produktion mit rund 100 Mitarbeitern im März 2012 gilt der Standort Landshut als das entscheidende Innovations- und Produktionszentrum für CFK- Komponenten. Um das hohe technische Know-how bei der Verarbeitung von innovativen Leichtbauwerkstoffen zu sichern, setzt man in Landshut auf den eigenen Nachwuchs. Deshalb wurde die Zahl der Auszubildenden auf jährlich 40 junge Nachwuchskräfte erhöht.

Leipzig: Werkstoffherstellung mit variabler Rezeptur.

Das neu errichtete Presswerk in Leipzig verfügt über modernste Technologie für CFK im Automobilbau. In der für die industrielle Großserienproduktion dimensionierten Anlage stellt BMW jetzt seine eigenen Kohlefaserverbundwerkstoffe her. Die Rezeptur, also die Zusammensetzung, Festigkeit und Geometrie der CFK-Teile, kann im Presswerk variabel an die konstruktiven Vorgaben angepasst werden. Das aus Wackersdorf angelieferte zugeschnittene Kohlefasergelege erhält zunächst im sogenannten Preform- Prozess seine spätere Form. Ein Heizwerkzeug verleiht dabei dem Lagenpaket eine stabile, dreidimensionale Form. Mehrere dieser vorgeformten Preform-Rohlinge können dann zu einem größeren Bauteil zusammengefügt werden. So lassen sich beispielsweise großflächige Karosseriebauteile herstellen, die sich in Aluminium oder Stahlblech nur schwer realisieren ließen.

Nach dem Konfektionieren und Vorformen folgt der nächste Prozessschritt: das Harzen unter Hochdruck nach dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding). Bei dem aus Luft- und Raumfahrt sowie Boots- und Windräderbau bekannten RTM-Harzinjektionsverfahren 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 hervorragenden Eigenschaften.

Mit einer Zuhaltekraft von bis zu 4.500 Tonnen arbeitet dann das Presswerk nach genau definierten Zeit-, Druck- und Temperaturparametern, bis sich das Harz mit dem Härter vollständig verbunden hat und ausgehärtet ist. Dank dieses speziellen BMW eigenen Herstellungsverfahrens kann auf einen zusätzlichen zeitraubenden Aushärteprozess in separatem Ofen, der üblicherweise einem CFK-Pressvorgang nachgeschaltet wird, verzichtet werden.

Das neue, speziell auf CFK ausgelegte Presswerk ist nicht mehr vergleichbar mit einer konventionellen Stahlblechherstellung. Die produktionsspezifischen Investitionen verfügen über eine wesentlich schlankere Investitionsstruktur. So reduzierte beispielsweise der Wegfall einer klassischen Lackiererei und der kathodischen Tauchbadlackierung deutlich die Baukosten. Das Produktionsverfahren ist zukunftsweisend, es spart enorm Zeit und macht erst die Industrialisierung großer CFK-Verbundbauteile realistisch. Nur so ist es möglich, dass Formteile im einstelligen Minutenbereich aus dem Presswerk kommen.

Selbst komplexe Baugruppen wie zum Beispiel ein kompletter Seitentürrahmen des BMW i3 Life-Moduls verlassen die Anlage mit vielen integrierten Strukturelementen – in bester Produktqualität, tadelloser Funktionalität und mit sehr hoher Passgenauigkeit. Lediglich Feinarbeiten wie das saubere Zuschneiden der Bauteilkontur sowie das Einbringen zusätzlicher Öffnungen sind noch zu erledigen. Dazu werden die Teile mit einer speziellen Wasserstrahlschneideanlage bearbeitet, und die Klebeflächen anschließend gesandstrahlt und für die Weiterverarbeitung aufgeraut. Für einen herkömmlichen Seitenrahmen aus Stahlblech müssten, im Gegensatz zum CFK-Formteil, nacheinander mehrere Innen- und Außenbauteile zusammengesetzt werden. In der Summe benötigt eine normale Stahlblecharchitektur wesentlich mehr Karosserieteile und wäre damit schon konstruktionsbedingt schwerer als das Life-Modul des BMW i3.

Revolution im Karosseriebau mit neuen Präzisionswerkzeugen.

Die neu produzierten CFK-Verbundbauteile aus dem neuen Presswerk Leipzig sowie angelieferte CFK-Teile aus dem Presswerk Landshut werden in der neuen Karosseriebauhalle zusammengefügt. Aus rund 150 Teilen, das sind ein Drittel der Teile des konventionellen Stahlblechbaus, entsteht dort die Grundform des Life-Moduls eines BMW i3. Es gibt keine Lärmbelästigung durch Schrauben oder Nieten, keinen Funkenflug beim Schweißen, es kommt ausschließlich modernste Klebetechnik zum Einsatz und die ist zu 100 Prozent automatisiert. Eine Technologie, die nur die BMW Group so beherrscht. In dem einzigartigen, 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. Die Präzision in der Klebeverbindung garantiert eine perfekte Kraftübertragung zwischen den einzelnen CFK-Bauteilen und somit höchsten Qualitätsstandard in der Großserie. In der Summe ergibt sich pro Fahrzeug eine genau definierte Klebestrecke von 160 Meter Länge und 20 Millimeter Breite.

Prozessbeschleunigung durch innovative Aushärtetechnik.

Die Herstellung von CFK-Karosseriezellen findet heutzutage gemeinhin nur für Spezialfahrzeuge, im Rennsport und für einzelne extravagante Sportwagen statt. Der Produktionsaufwand spielt bei den kleinen Stückzahlen eine eher untergeordnete Rolle. So kann die Aushärtezeit der Klebeverbindungen schon mal mehr als einen Tag dauern. Um diese Zeitspanne für die Großserienproduktion des BMW i3 zu minimieren, wurde im BMW Werk Leipzig der Aushärteprozess extrem beschleunigt.

So muss beispielsweise der für die CFK-Fertigung in Leipzig neu entwickelte Klebstoff innerhalb von 90 Sekunden nach dem Auftragen auf ein Bauteil verarbeitet werden, bevor er Haftung aufbaut. Nach anderthalb Stunden ist er hart. Diese Eigenschaft entspricht schon einer zehnfachen Beschleunigung eines herkömmlichen Klebeprozesses. Um nun die Aushärtezeit weiter bis in den einstelligen Minutenbereich zu reduzieren, hat BMW einen zusätzlichen thermischen Prozess entwickelt. Dafür werden bestimmte Heftstellen an den zu klebenden CFK-Teilen zusätzlich aufgeheizt, um den Aushärteprozess noch einmal um das 32-fache 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 CFK-Life-Modul-Zelle ihr finales äußeres Kunststoffkleid. Für die lackierte mehrteilige Außenhaut kommen vorwiegend Thermoplast-Spritzgusskunststoffe zum Einsatz, wie sie auch im herkömmlichen Fahrzeugbau Verwendung finden. Die farbigen Kunststoffformteile werden dazu über spezielle, von außen nicht sichtbare Halterungen bei der Endmontage auf die innere Life-Modul-Zelle aufgeschraubt.

CFK-Recycling: Geschlossener Rohstoffkreislauf.

Die BMW Group hat im Laufe der BMW i Entwicklungsarbeit ein weltweit einmaliges Recyclingkonzept für CFK-Bauteile, Karosserieteile und sortenreine Produktionsabfälle bis zur Serientauglichkeit entwickelt. In verschiedenen Verfahren werden die hochwertigen Wertstoffe schon aus der Produktion und sogar von Unfall-/Altfahrzeugen im Automobilbau wiederverwertet und entweder dem Produktionsprozess erneut zugeführt oder in anderen Anwendungen eingesetzt.

Beim Wiederaufbereitungsprozess unterscheidet man zwischen Carbonfaser- Recycling mit „trockenem“, nicht verharztem Material und dem Verbundstoff- Recycling (CFK), bei dem „nasse“, schon mit Harz versetzte Kunststoffe zum Einsatz kommen. Die trockenen Carbon-Verschnittreste, die während der Produktion anfallen, können wieder zu hochwertigen Vliestextilien aufbereitet und zur Weiterverwendung in den Herstellungskreislauf eingehen. Rund zehn Prozent der beim BMW i3 eingesetzten Carbonfasermenge sind bereits heute recyceltes Material. Auch dieser Prozess ist in der Automobilindustrie weltweit einzigartig.

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 Rücksitzbanksitzschale aus so recycelten Kohlefasern gefertigt. Sie erfüllt zu 100 Prozent die BMW Qualitätsstandards und wiegt 30 Prozent weniger als eine in konventioneller Glasfasermattenbauweise. Gemahlen oder als Kurzfaser geschnitten, kommen das recycelte CFK beziehungsweise die Carbonfasern auch außerhalb der Autoindustrie in vielen Bereichen wieder zum Einsatz. Sie können zum Beispiel in der Textilindustrie oder in der Elektronikindustrie (Gehäusewerkstoff für Steuergeräte) eingesetzt werden. Die Verwendung der „Sekundär-CFK-Fasern“ ist Bestandteil eines nachhaltigen Werkstoffkreislaufs. So werden Ressourcen geschont und Rohstoffe für künftige Anwendungen gesichert.

Der Bedarf an Strom für die BMW i3 Produktion in Leipzig wird zu 100 Prozent aus Windkraft gedeckt.

Die Produktion des BMW i3 setzt im Hinblick auf den Umweltschutz neue Maßstäbe. Im Vergleich zu den bereits hocheffizienten Durchschnittswerten im Produktionsnetzwerk der BMW Group fallen der Energieverbrauch um rund 50 und der Wasserverbrauch um rund 70 Prozent geringer aus. Der Strom für die Produktion von BMW i Automobilen im Werk Leipzig stammt ausschließlich aus Windkraft und damit zu 100 Prozent aus regenerativen Energiequellen.

Zu diesem Zweck wurden erstmals in Deutschland auf dem Werksgelände eines Automobilherstellers Windkraftanlagen zur direkten Stromversorgung der Produktion vor Ort errichtet. Die vier Anlagen vom Typ Nordex N100/2500 arbeiten mit einer Leistung von jeweils 2,5 MW. Mit rund 26 GWh pro Jahr liefern die Windkraftanlagen künftig sogar mehr Strom, als zur Produktion der BMW i Modelle erforderlich ist. Es wird pro Jahr mit einem Überschuss von bis zu zwei GWh gerechnet, der dann anderweitig im Werk Leipzig zum Einsatz kommt.

Kompetenznetzwerk für E-Mobilität an den Standorten Dingolfing und Landshut.

Auch die Fertigung des Elektromotors und des Energiespeichers für den BMW i3 erfolgt innerhalb des Produktionsnetzwerks der BMW Group. Das Unternehmen nutzt dabei seine weltweit führende Position auf dem Gebiet der Antriebstechnologie auch für zukunftsweisende Innovationen im Bereich der Elektromobilität. Die BMW Group hat an den niederbayerischen Produktionsstandorten in Dingolfing und Landshut ein Kompetenznetzwerk für Elektromobilität geschaffen.

Im BMW Werk Dingolfing entstehen die Batterie, das Getriebe sowie die Aluminium-Struktur für das Drive-Modul des BMW i3. Beim Ausbau der Produktionsstandorte wurden innovative Maßnahmen zur Reduzierung des Wasser- und Energieverbrauchs umgesetzt. Im Werk Dingolfing führt eine Dreifachnutzung von Grundwasser für die Prozesskühlung, die Toilettenspülung und als Industriewasser für Prozesse zu einer jährlichen Einsparung von rund 2.500 Kubikmeter Grundwasser sowie von rund einer Million Kilowattstunden Strom. Neben intensiver Wärmedämmung für die Gebäudehülle sorgt auch eine besonders konsequente Nutzung von industrieller Abwärme für einen reduzierten Energiebedarf. So wird dank Wärmerückgewinnung die Prozessabwärme zur Zulufterwärmung genutzt. Rund 72 Prozent der in der Abluft enthaltenden Wärmemenge können dabei an den gleichen Prozess zurückgeführt werden.

Das BMW Werk Landshut produziert den von BMW entwickelten Elektromotor. Darüber hinaus werden in Landshut neben CFK-Komponenten für das Life- Modul auch Umfänge für das Kunststoff-Exterieur sowie Gussteile und das Cockpit des BMW i3 hergestellt. Leichtbauwerkstoffe und Elektromobilität gehören zu den Schwerpunkten des an diesem Standort angesiedelten Landshuter Innovations- und Technologiezentrums, das die Entwicklung von innovativen Materialien und Fertigungsverfahren vorantreibt. Von einer unabhängigen Fachjury wurde die CFK-Fertigung am Standort Landshut mit dem „JEC Europe Innovation Award 2013“ ausgezeichnet. Die europäische Branchenauszeichnung prämiert technologische Innovationen im Bereich Faserverbundstoffe, die über ein hohes Marktpotenzial verfügen. Bereits 2012 war das BMW Werk Landshut im Rahmen des „Industrial Excellence Award / Die Beste Fabrik“ zum deutschen Landessieger gekürt worden und hatte für seine herausragende Kombination von ressourcenschonender Produktion und schlanken Prozessen überdies den „Lean and Green Efficiency Award“ erhalten.

Quelle: BMW Presse Mappe vom 29.07.2013

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