Röntgenblick in ein Volvo-Fahrzeug mit im Megacasting-Verfahren hergestellter Bodenstruktur

Volvo will große Teile der Bodenstruktur seiner künftigen E-Autos als zusammenhängendes Aluminiumteil gießen und investiert dafür eine erhebliche Summe in das Stammwerk Torslanda. (Bild: Volvo Cars)

Leichtbau ist ein Dauerbrenner. Durch die schweren Akkupakete an Bord von Elektroautos erfahren die Gewichtsreduzierung und die entsprechenden Herstellverfahren neuen Schwung. Große Karosserieteile mit Hilfe des Aluminiumdruckgussverfahrens in Serie herzustellen, könnte dem Fahrzeugbau neue Impulse verleihen. Das Verfahren war im Fahrzeugbau bislang eher für die Produktion von Komponenten des Fahrwerks bekannt, etwa bei Federbeindomen oder Längsträgern. Dass ganze Karosserieteile aus bestimmten Aluminiumlegierungen unter hohem Druck in eine Form gegossen und nach dem Erstarren weiterverarbeitet werden, klingt verlockend. Die Vision ist es, zahlreiche Einzelteile, wie sie bei der Stahlmethodik üblich sind, auf wenige Teile oder gar auf ein großes Bauteil zu reduzieren und so aus dem gesamten Karosseriebauprozess Komplexität zu nehmen.

Tesla Model Y
Tesla setzt für das hintere Bodenblech im Model Y auf Aluminiumdruckguss. (Bild: Tesla)

Erste Meldungen zum Aluminiumdruckguss für Karosserieteile kommen vom US-Elektroautohersteller Tesla, der das Verfahren Gigacasting nennt. Die Amerikaner setzen etwa im Model Y beim hinteren Bodenblech auf diesen Prozess, für den riesige Maschinen mit etwa 80 bis zu 100 Tonnen schwere Werkzeuge erforderlich sind. Die Systeme sind wortwörtlich gigantisch, die Pressen bis zu 20 Meter lang und mehrere Meter hoch und breit. Ein früher Experte auf diesem Feld ist der italienische Maschinenbauer Idra, der seine Bearbeitungssysteme als Giga Press bezeichnet.

Volvo verspricht sich mit Megacasting mehr Flexibilität

Zwischenzeitlich hat auch Volvo angekündigt, Aluminiumdruckguss im schwedischen Stammwerk Torslanda einzuführen. Ab 2025 sollen dort die hinteren Teile der Bodenstruktur kommender E-Modellgenerationen im Druckgussverfahren hergestellt werden. Die Schweden bezeichnen das Verfahren als Megacasting. Volvo investiert etwa eine Milliarde Euro in die Fertigung nahe Göteborg, die in eine neue Batteriepack-Montageanlage, Upgrades für Lackierung, Logistik und Fahrzeugmontage und eben in den Aluminiumdruckguss fließen.

Wie Mikael Fermér, Solution Architect Vehicle Platform bei Volvo Cars sagt, werden die Megacast-Teile im hinteren Bodenbereich der neuen Fahrzeugplattform eingesetzt. Im Interview gegenüber unserem Schwestermagazin Automotive Manufacturing Solutions (AMS) schildert er: „Es ist sinnvoll, die Entwicklung und Verwendung der Megacast-Teile auf diesen Teil der Karosserie zu konzentrieren.“ Es handle sich um einen belebten Bereich des Fahrzeugs, für den Flexibilität mit Blick auf die Sitze, die Aufhängung und Antriebsstrangkonfigurationen gefordert sei. Die entsprechenden Anlagen für die Herstellung dieser Teile sollen eine Jahreskapazität von 55.000 Tonnen bieten und mit Zykluszeiten von 140 Sekunden pro Etage arbeiten.

Mikael Fermér, Solution Architect Vehicle Platform bei Volvo Cars
"Megacasting unterstützt viele Lebenszyklen von Elektroautos", sagt Mikael Fermér, Solution Architect Vehicle Platform beim schwedischen OEM. (Bild: Volvo Cars)

Die Schweden versprechen sich so vor allem mehr Flexibilität im Vergleich zu tradierten Plattformen. Mit Megacasting werde man in einer großen Bandbreite Böden für jedes Produkt herstellen können, sagt Fermér. Insbesondere will Volvo die Komplexität mindern, indem man verschiedene Karosserieteile und -funktionen in einem Teil integriert. Während man bei Tesla von einem Reduktionsverhältnis der Teile von 70 zu 1 spricht, wollen die Schweden ein Verhältnis von 100 zu 1 erreichen. Dank Megacasting müsse man weniger Teile transportieren und lagern und reduziere zudem die Bearbeitungsvorgänge, erklärt Fermér.

Für den Volvo-Experten ist dies ein Plus, auch mit Blick auf die Qualität. Ein weiteres Argument für Megacasting sieht man beim OEM in einer hohen Einsatzquote von Sekundäraluminium. Alles, was beim Aluminiumguss eingesetzt wird, soll am Ofen vor Ort der Wiederverwertung zukommen. Bei der Stahlbearbeitung hingegen müsse der verbleibende Schrott zur Verarbeitung in neue Coils zunächst zurückgeschickt und dann erneut versendet werden, sagt Fermér.

Dem Leiter des Lehrstuhls für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) an der TU München, Wolfram Volk, zufolge eignet sich das Verfahren insbesondere für die Bodenmitte sowie den Hinterbau, da dort im Crashfall nicht so hohe Duktilitäten benötigt werden. Nur bedingt sieht er einen Einsatz im Vorderbau. Laut dem TUM-Experten ergeben sich aus einer Teilereduktion an sich aber noch keine betriebswirtschaftlichen Vorteile. Zudem werde eine Karosserie damit auch nicht per se leichter. Im Interview mit Automobil Produktion erklärt er: „Ein großes Bauteil bedarf schlicht entsprechender Wandstärken, gleichzeitig büßt man die Möglichkeit ein, die entsprechenden Materialeigenschaften an die exakt richtigen Stellen zu bringen, so wie es mit einer klassischen Blechschalenbauweise in vielen Fällen gelingt.“

Blechschalen erlauben weit geringere Wandstärken

Tesla setzt für die Herstellung des hinteren Bodenblechs auf naturharte Legierungen und umgeht mit dem Verfahren die Wärmebehandlung. Laut Volk liegen keine profunden Erkenntnisse darüber vor, wie sich bei Bauteilen dieser Dimension der aus der Wärmebehandlung resultierende Verzug in den Griff bekommen lässt. Während man beim Druckgießen mit Blick auf die Blechdicken von einer Untergrenze von zwei bis drei Millimetern ausgehe, seien bei Blechschalen Wandstärken bis hinunter zu 0,7 Millimeter möglich, weiß Gießereiexperte Volk. Ihm zufolge liegt die Festigkeit von weichen Tiefziehstählen heute in einem Bereich von 140 bis 1.500 MPa. Naturharte Aluminium-Legierungen, die keine Wärmebehandlung vertragen, liegen dagegen gerade einmal bei zirka 250 bis höchstens 350 MPa, Aluminium-Knetlegierungen bei 500 bis 600 MPa.

Auch Volvo-Experte Fermér weiß um das Problem des Verzugs nach dem Gießen der großen Teile. Man müsse daher eine Legierung verwenden, die die gewünschte Leistung des Teils biete, ohne die Notwendigkeit einer Wärmebehandlung. Man prüfe derzeit verschiedene Legierungen, die die Anforderungen an die Kosten, die Duktilität und Festigkeit erfüllen. Volvo nennt die entsprechende Mixtur F-Temper-Legierung. Fermér weist darauf hin, dass die Kosten nicht mit der Aktualisierung eines Satzes Werkzeuge oder Geräte für eine Plattform oder einen Modellzyklus vergleichbar sind. Megacasting sei eine Investition mit „langer Lebensdauer“ und eine, die viele neue Lebenszyklen von Elektrofahrzeugen unterstütze.

Mit Blick auf Tesla werden laut Medienberichten Einsparpotenziale in Höhe von 20 bis 30 Prozent kolportiert. Unter anderem sollen sich diese gerade aus der Reduktion von Umformpressen und Schweißrobotern ergeben. TUM-Experte Wolfram Volk mahnt zu einer vorsichtigen Betrachtung solcher Zahlen. Denn insbesondere bei Schweißrobotern würden die Investitionen auf eine Modellgeneration abgeschrieben, bei Umformpressen gar auf drei oder vier Modellgenerationen. Diese technologische Abschreibung laufe über einen Zeitraum von 30 Jahren. „Für OEMs, die diese Maschinen bereits in bestehenden Fahrzeuggenerationen einsetzen, ergibt der Einsatz der neuen Technik also keinen Sinn“, konstatiert der Gießereiexperte. Tesla hingegen könne sich aufgrund des Greenfield-Ansatzes die typischen Investitionen in die Schalenbauweise sparen.

Funktionsprinzip des Aluminiumdruckgusses im Karosseriebau
Beim Gigacasting werden mehrere Kilogramm geschmolzenes Aluminium in eine Gussform injiziert, ein Stempel drückt mit mehreren Tonnen Druck die Masse in Form, die anschließend abkühlt. (Bild: Volvo Cars)

Gigacasting grenzt den Stückzahlbereich ein

Nach sinnvollen Stückzahlen befragt, bringt TUM-Experte Volk die Standzeiten von Druckgießformen ins Spiel: Bedingt durch den sogenannten Thermoschock gelte die Faustformel, dass eine Druckgießform 100.000 bis 150.000 Schuss halte. Volk betont: „Ein Umformwerkzeug hingegen schafft fünf bis sechs Millionen Teile. Wir sprechen also vom Faktor 20 bis 30.“ Für diese gussintensive Lösung gibt es dem Experten zufolge also einen klar limitierten Stückzahlbereich: Sehr kleine und sehr große Stückzahlen im Aluminium-Casting hält er daher für wenig attraktiv. Insbesondere für die Massenfertigung im Millionenbereich würde man etwa sechs bis sieben der teuren Druckgießformen benötigen. Der Fachmann weist auch auf die höhere Komplexität eines Gieß- anstelle eines Kaltumformprozesses sowie die hohe Ausschussquote hin, die durchaus bei 20 und mehr Prozent liegen könne.

Für eine Autofabrik bedeutet Aluminium-Casting zudem einen nicht unerheblichen Platzbedarf. Druckgießformen lassen sich derzeit nur vertikal mit Hilfe eines Krans tauschen. Ein Wechsel der bis zu 100 Tonnen schweren Werkzeuge nimmt dem TUM-Experten zufolge zehn bis zwölf Stunden in Anspruch. Im Vergleich dazu liegen Werkzeugwechsel in aktuellen Großpresswerken mit ihren effizienten Servopressen im Bereich von drei Minuten.

Giga- oder Megacasting könne man per se weder als effiziente Lösung, noch als Leichtbaulösung oder als höher performanteres Verfahren einstufen, resümiert der Experte für Gießereiprozesse und Umformtechnik Volk. Dennoch bringe das Thema Schub und Bewegung in die Produktion. Gigacasting sei geeignet den Karosseriebau insbesondere mit Blick auf die Elektromobilität neu zu denken. Es bleibt also spannend, welche Konzepte sich in Zukunft durchsetzen werden.

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