Die Rolle von Aluminium im Fahrzeugbau erfährt durch maßgeschneiderte Aluminiumplattformen wie der des Polestar 5 neue Aufmerksamkeit. Gewichtsreduktion und schlanke Bearbeitungsprozesse sind Kern zahlreicher Aktivitäten in der Branche. (Bild: Polestar)
Die Meldung Volvos, für die kommende Generation Elektrofahrzeuge ganze Karosserieteile im Aluminiumdruckgussverfahren herzustellen und dafür erhebliche Summen in das schwedische Stammwerk Torslanda zu investieren, darf man als veritables Bekenntnis zum Werkstoff Aluminium werten – und als eines für den Leichtbau sowie zum Mut, im Karosseriebau neue Wege zu gehen. Damit tritt neben Tesla derzeit ein gewichtiger, als klassisch zu bezeichnender OEM auf die Bühne, der der bewährten Blechschalenbauweise einen vielversprechenden, wenn auch nicht gerade leicht beherrschbaren Prozess als Alternative zu Seite stellt.
Was im Umfeld von Tesla als Gigacasting bezeichnet wird, nennt Volvo Megacasting. Es umschreibt einen Prozess, bei dem mit Hilfe von gezielt abgestimmten Aluminiumlegierungen ganze Karosserieteile unter hohem Druck in gigantischen Stempeln hergestellt werden. Damit will man der Mehrteiligkeit von Bauteilen entkommen, wie sie bei Stahlkonstruktionen üblich sind, sowie Prozesse wie auch Roboter im Karosseriebau reduzieren und freilich das Gewicht von E-Autos drücken.
Ob dies betriebswirtschaftlich wie auch mit Blick auf die Gewichtsreduktion wirklich zu den erhofften Vorteilen führen wird, bleibt noch abzuwarten. Aluminiumdruckguss im Karosseriebau könnte in einem gezielten Stückzahlkorridor bei Greenfield-Projekten dennoch Karriere machen, wie Professor Wolfram Volk von der TU München im Interview mit Automobil Produktion sagt. Einen ersten Karriereschritt machte Aluminium zunächst bei Bauteilen fürs Fahrwerk. Um den bislang aus Gusseisen oder geschmiedetem Stahl gefertigten Achsschenkeln, Querlenkern oder Radträgern Gewicht abzutrainieren, kommen seit geraumer Zeit Werkstoffe wie geschmiedete Aluminium-Knetlegierungen oder duktile Aluminium-Gusslegierungen mit niedrigem Siliziumgehalt auf.
Ein Problem bei Aluminium sind lange Späne
Gerade im Bereich der Bearbeitung von Fahrwerkteilen hört man dieser Tage Neues aus der Werkzeugbranche. Aluminiumlegierungen erfordern andere Bearbeitungsstrategien bei der Zerspanung als bisher verwendete Materialien, weiß man beim Hersteller von Präzisions- und Zerspanungswerkzeugen Walter. Alu-Legierungen lassen sich den Experten zufolge zwar mit ganz anderen Geschwindigkeiten als traditionelle Guss- oder Stahlwerkstoffe zerspanen, leichter sind die Prozesse deshalb aber noch lange nicht. Ein großer Risikofaktor sind lange Späne, erklärt Fabian Hübner, Component & Project Manager Transportation bei Walter. „Außerdem können sich an den Schneidkanten der Werkzeuge schnell Aufbauschneiden bilden. Für das Einhalten der vorgegebenen Toleranzen bei den Passmaßen und der Oberflächenqualität wird es dann schnell schwierig“, sagt der Experte.
Insbesondere herausfordernd sind Hübner zufolge Vollbohrungen. Während bei der Radnabenbohrung am Radträger häufig vorgeschmiedete Vertiefungen aufgebohrt werden, erfolgen kleinere Bohrungen etwa am Querlenker dagegen ins volle Material. Den Tübinger Werkzeugexperten zufolge bedarf es daher mehr als eines schlichten Setzens einer Bohrung: Es müssen auch definierte Planflächen oder Fasen angebracht werden, betont man bei Walter. Schnell komme es so zu bis zu fünf Bearbeitungsschritten. Eine Lösung fanden die Experten in Form sogenannter Hybridwerkzeuge. Dies bedeutet, dass ein Werkzeugkorpus unterschiedliche Zerspanungsschritte ermöglicht.
Schmied- und warmaushärtbare Aluminium-Knetlegierungen mit Magnesium und Silizium nehmen insbesondere die Schneiden stark in Anspruch. Aluminium-Knetlegierungen bilden überdies lange Späne oder sogar Fließspäne, die laut Walter einen reibungslosen Zerspanungsprozess erheblich gefährden können. Dazu verfügen die für die Aluminiumbearbeitung entwickelten Wendeschneidplatten über eine besondere Geometrie und Beschichtung. Mithilfe der sogenannten HiPIMS-Beschichtung (für: High Power Impuls Magnetron Sputtering) will man eine extrem glatte und droplet-freie Oberfläche bieten und die sogenannte Aufbauschneidenbildung verhindern. Als Beispiel für ihren Erfolg sprechen die Werkzeugexperten von einem Kunden, der beim Einbringen von Bohrungen in einen Querlenker mit einem Hybridwerkzeug in der Bohrstufe mit einem Durchmesser von 50 Millimetern Schnittgeschwindigkeiten von über 1.300 m/min bei einem Umdrehungsvorschub von 0,11 Millimetern erreichen konnte.
BMW stärkt die Alu-Kompetenz bei Werkzeugen
Ebenfalls eine Werkzeug-Novität kommt dieser Tage aus dem Hause BMW. Konkret stellen die Experten der Leichtmetallgießerei am Standort Landshut eine sogenannte Mehrplatten-Werkzeugtechnik vor, die im Prozess CO2-Reduktionen und beim Blick auf die Bauteile eine Gewichtsreduzierung verspricht. „Mit der Entwicklung neuer Anguss- und Entformungssysteme mittels Direktanguss in der Mehrplatten-Werkzeugtechnologie lassen sich so im Druckgießverfahren funktions- statt fließwegoptimierte Bauteildesigns realisieren. Zudem lässt sich das Bauteilgewicht bei gleicher Funktionserfüllung um bis zu 20 Prozent reduzieren“, schildert Klaus Sammer, Leiter Werkzeugbau, Instandhaltung und Vorentwicklung der Leichtmetallgießerei in Landshut.
Die Prozessverbesserung mache Produktdesigns mit optimalem Materialeinsatz sowie eine gewichtsneutrale Umstellung auf Legierungen mit geringeren CO2-Emissionen möglich. Wie man vom OEM hört, lassen sich die in Landshut bestehenden Anlagen künftig auch für das Gießen von Strukturkomponenten nutzen. Die BMW-Experten sprechen zudem von einer nachhaltigen Optimierung der CO2-Emissionen in der Produktions- und Nutzungsphase. Die Leichtmetallgießerei des BMW-Standorts Landshut ist der größte Produktionsbereich des niederbayerischen Komponentenwerks, das Motor-, Fahrwerks- und Karosseriestrukturkomponenten aus Leichtmetallguss herstellt. Alleine im Jahr 2021 hat die dortige Mannschaft 3,1 Millionen Gusskomponenten mit einem Gesamtgewicht von nahezu 67.000 Tonnen gefertigt.
Der Polestar 5 hat eine geklebte Aluplattform
Volvos Elektro-Performancemarke geht beim neuen Modell Polestar 5 in Sachen Aluminium in die Vollen. So verkündeten die Schweden erst kürzlich, dass der viertürige Elektro GT über eine brandneue, maßgeschneiderte Plattform aus geklebtem Aluminium verfügen wird, von der man sich Leistungs- und Umweltvorteile verspricht. In der Massenproduktion von Fahrzeugen habe ein solches System ohne Qualitätseinbußen bislang kaum Verwendung gefunden, heißt es bei Polestar. Das britische Forschungs- und Entwicklungsteam aus dem englischen Coventry hat dem OEM nun einen serientauglichen und schnelleren Herstellungsprozess entwickelt, bei dem sowohl die Karosserie als auch die Plattform gemeinsam gefertigt werden.
Dabei wurden Chassis und Karosserie gemeinsam entworfen, erläutert Steve Swift, Head of Vehicle Engineering Polestar UK R&D, gegenüber Automobil Produktion. Viele der Außen- und Innenverkleidungen sind dabei als integraler Bestandteil der Gesamtstruktur verklebt. Außerdem habe man eine Vielzahl von Aluminiumsorten und Fertigungsmethoden verwendet. Einige würden geistiges Eigentum darstellen, weshalb man derzeit nicht mehr verraten könne. So viel verrät der Entwicklungschef: „Eine geklebte Aluminiumkonstruktion bringt verschiedene Vorteile mit sich. Die zwei wichtigsten sind, dass wir damit das Gewicht reduzieren und die Steifigkeit erhöhen können.“
Über die Plattform und das Verfahren will Swift derzeit nur so viel konkretisieren, als es diese ermöglichen, Prototypen einfacher zu bauen und man viel früher mit physischen Tests beginnen könne. „Dadurch haben wir mehr Zeit für die Optimierung und den Abgleich der Leistung mit unseren virtuellen Modellen und wir können die Zeit bis zur Produktionsreife verkürzen.“ Zudem seien die für die frühen Prototypen erforderlichen Werkzeuge billiger und effizienter als ähnliche Werkzeuge für eine herkömmliche Stahlplattform. Damit spare man Kosten und könne den Prototypen wesentlich schneller produzieren.
Die Rohkarosserie des Polestar 5 soll zudem weniger als eine für kleinere Fahrzeugklassen wiegen und die Torsionssteifigkeit eines Zweitürers bieten. Auf Reparaturfreundlichkeit und Recycling des Aluminiumsystems angesprochen, schildert Swift: „Deshalb haben wir in das kürzlich vorgestellte Konzeptfahrzeug Polestar O2 eine neue Methode zur Kontrolle des Recyclinganteils und zur Verbesserung der Kreislauffähigkeit von Metallkomponenten integriert.“ Im gesamten Chassis werden demnach verschiedene Aluminiumsorten verwendet. Die verschiedenen Qualitäten seien gekennzeichnet, so dass sie effektiver recycelt werden können und ihre Eigenschaften erhalten bleiben.
Bei weiteren quantitativen Aussagen hält sich Swift bedeckt: „Aktuell können wir noch keine Details zu den Investitionen und den geplanten Stückzahlen veröffentlichen.“ In den kommenden Monaten werde man das Team jedenfalls von derzeit 280 auf etwa 500 Ingenieure verstärken, das dann eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der F&E-Fähigkeiten spielen soll.