Wie Stahl den Karosseriebau günstiger macht

Gigacasting gilt als vielversprechender Ansatz, um den Karosseriebau effizienter zu machen. Große Aluminiumgussteile ersetzen zahlreiche Einzelkomponenten und reduzieren den Montageaufwand. Doch eine vergleichbare Integration ist auch mit Stahl möglich. Das demonstrierte der spanische Automobilzulieferer Gestamp auf der Internationalen Zuliefererbörse (IZB) in Wolfsburg. Anhand der Karosseriestruktur des neuen Skoda Epiq zeigte das Unternehmen, wie sich durch Warmumformung, gezielte Verstärkungen und neue Fügeverfahren Kosten und Gewicht reduzieren lassen. Eine weitere Technologie, die Volkswagen bereits gemeinsam mit dem Zulieferer validiert, könnte zudem die Schweißprozesse erheblich beschleunigen.

Der Skoda Epiq wird seit Juni im spanischen Volkswagen-Werk Navarra produziert. Das auf der MEB+-Plattform basierende Elektro-SUV soll mit einem Einstiegspreis von rund 26.000 Euro die Elektromobilität für eine breitere Käuferschicht erschwinglich machen. Entsprechend hoch ist der Kostendruck bei der Entwicklung und Produktion. Gestamp übernimmt dabei eine wichtige Rolle. Auf seinem Messestand präsentierte der Zulieferer nahezu die gesamte Fahrzeugstruktur, vom Vorderwagen über die Seitenstruktur bis zu wesentlichen Fahrwerkskomponenten. Lediglich das Dach fehlte.

„Wir sind ein großer Partner für den Volkswagen-Konzern und bei zahlreichen Komponenten involviert“, erklärt Ralf Koormann, Technology and Innovation Office Product Director Europe North bei Gestamp. Die Zusammenarbeit reiche von der Fertigung nach vorgegebenen Zeichnungen bis zur gemeinsamen Entwicklung ganzer Baugruppen.

Hochintegrierte Stahlbauteile statt teurer Aluminiumlösungen

Eine der zentralen Entwicklungen ist der sogenannte Door Ring, ein großflächiger Türrahmen aus warmumgeformtem Stahl. Gestamp setzt dabei auf seine Overlap-Patch-Technologie. Mehrere Stahlplatinen werden zunächst miteinander verschweißt, anschließend erhitzt und in einem gemeinsamen Prozess zum fertigen Bauteil geformt.

An besonders beanspruchten Stellen lassen sich zusätzliche Verstärkungen integrieren. Dort wird das Material gezielt aufgedoppelt, während andere Bereiche mit geringerer Materialstärke auskommen. So können die Entwickler die Struktur auf unterschiedliche Anforderungen an die Crashsicherheit auslegen, ohne überall zusätzliches Gewicht in Kauf nehmen zu müssen. Separate Verstärkungsteile werden teilweise überflüssig.

Auch bei der Schwellerverstärkung geht Gestamp einen eigenen Weg. Statt eines vergleichsweise teuren Aluminium-Strangpressprofils kommt eine hydrogeformte Stahllösung zum Einsatz. Der sogenannte Wave Rocker verfügt über eine wellenförmige Struktur, die bei einem Seitenaufprall möglichst viel Energie aufnehmen soll.

Dahinter steht eine grundsätzliche Strategie des Zulieferers, der den Großteil seiner Komponenten aus Stahl fertigt. „Unser Ziel ist es, Leichtbau mit Stahl zu realisieren. Deshalb setzen wir auf Warmumformung und hochfeste Werkstoffe, statt einfach auf teurere Materialien auszuweichen“, erklärt Koormann.

Wie konsequent Gestamp diese Strategie verfolgt, verdeutlichte bereits ein Interview mit dem damaligen Technologievorstand des Unternehmens. Darin bezeichnete Gestamp Stahl als High-Performance-Produkt und verwies auf das Potenzial immer größerer warmumgeformter Strukturbauteile.

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Gestamp entwickelt komplette Vorderachsstruktur für den Epiq

Wie weit die Entwicklungsverantwortung des Zulieferers reicht, zeigt die Vorderachse des Skoda Epiq. Gestamp hat sowohl den vorderen Hilfsrahmen als auch den unteren Querlenker auf Grundlage der Anforderungen der Volkswagen-Entwicklung konzipiert.

Der 26 Kilogramm schwere Hilfsrahmen übernimmt gleich mehrere Aufgaben. Neben der Aufnahme der Fahrwerkskomponenten dient er als Befestigungsstruktur für den Elektromotor und ist gleichzeitig in das Crashmanagement eingebunden. Anders als bei früheren Verbrennerplattformen reicht die Struktur weit in den Vorderwagen hinein, um bei einem Unfall zusätzliche Energie aufzunehmen. Der Elektromotor wird vorne über die Lagerpunkte des Hilfsrahmens befestigt, ein dritter Lagerpunkt befindet sich auf einer zusätzlichen Aluminiumbrücke.

Auch beim Querlenker stand die wirtschaftliche Fertigung im Vordergrund. Das Bauteil besteht aus einer einzigen Schale aus hochfestem Stahl. Weil keine weiteren Komponenten miteinander verschweißt werden müssen, entfällt ein kompletter Fügeschritt. „Der einschalige Querlenker kommt ohne zusätzliche Schweißprozesse aus. Günstiger lässt sich ein solches Bauteil kaum herstellen, sofern die Konstruktion die technischen Anforderungen erfüllt“, sagt Koormann.

Die Entwicklung zeigt, dass die Kosten einer Fahrzeugplattform nicht allein vom Materialpreis abhängen. Entscheidend sind ebenso die Anzahl der Einzelteile sowie der Aufwand für deren Verarbeitung und Montage.

G-Weld soll Schweißprozesse um das Fünffache beschleunigen

Neben den bereits eingesetzten Bauteiltechnologien präsentierte Gestamp auf der IZB ein neues Fügeverfahren mit erheblichem Effizienzpotenzial.G- Weld soll das herkömmliche Widerstandspunktschweißen bei bestimmten Anwendungen durch einen Laserschweißprozess ersetzen.

Gerade bei warmumgeformten Bauteilen mit zusätzlichen Verstärkungspatches ist die Zahl der erforderlichen Verbindungen hoch. Ein Door Ring kann laut Gestamp deutlich mehr als 100 Schweißpunkte aufweisen. Bislang werden die übereinanderliegenden Platinen häufig einzeln mit einer Punktschweißzange gefügt.

G-Weld arbeitet dagegen mit einer speziellen Laserprozessführung und einer charakteristischen G-förmigen Schweißnaht. Die technische Herausforderung liegt insbesondere in der Aluminium-Silizium-Beschichtung der Stahlplatinen. Diese kann beim Laserschweißen in die Naht gelangen und deren Qualität beeinträchtigen.

Gestamp hat nach eigenen Angaben ein Verfahren entwickelt, das eine zuverlässige Verbindung der beschichteten Materialien ermöglicht. Die besondere Nahtgeometrie soll dabei dieselbe Tragfähigkeit wie ein herkömmlicher Schweißpunkt erreichen. Zugversuche unter unterschiedlichen Belastungsrichtungen hätten dies bestätigt. „Mit G-Weld sind wir fünfmal schneller als beim herkömmlichen Punktschweißen. Bei einem Door Ring mit mehr als 100 Schweißpunkten ergibt sich daraus ein enormes Effizienzpotenzial“, erklärt Thomas Linn, Technology and Innovation Office Program Manager bei Gestamp.

Darüber hinaus bietet das Verfahren zusätzliche konstruktive Möglichkeiten. So lassen sich Schweißnähte verlängern, um die Verbindung gezielt zu verstärken. Auch eine einseitig nahezu unsichtbare Ausführung ist möglich, sodass die gegenüberliegende Bauteiloberfläche nicht durch sichtbare Schweißpunkte beeinträchtigt wird.

Im ausgestellten Skoda Epiq kommt G-Weld allerdings noch nicht zum Einsatz. Dort werden die Verstärkungspatches weiterhin konventionell punktgeschweißt. Gestamp arbeitet jedoch bereits gemeinsam mit Volkswagen an der Validierung des neuen Verfahrens.

Wann G-Weld erstmals in einer Serienproduktion eingesetzt werden könnte, ist noch offen. Auch eine nachträgliche Integration in bestehende Produktionslinien wäre nicht ohne Weiteres wirtschaftlich, da vorhandene Schweißanlagen möglicherweise umgebaut oder ersetzt werden müssten.

Ges-Wire spart einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt

Mit Ges-Wire zeigte Gestamp eine weitere Entwicklung, die den Fertigungsaufwand bei warmumgeformten Stahlbauteilen reduzieren soll. Das patentierte Verfahren kommt bei sogenannten Tailor Welded Blanks zum Einsatz. Dabei werden Platinen unterschiedlicher Stahlsorten vor dem Umformprozess miteinander verschweißt.

Am Beispiel einer B-Säule demonstrierte der Zulieferer die Kombination aus dem besonders hochfesten Usibor 1500 und dem duktileren Ductibor 1000. So können Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften innerhalb eines Bauteils realisiert werden. Während bestimmte Abschnitte hohe Festigkeit bieten müssen, sollen andere bei einem Unfall gezielt Energie aufnehmen. Bei herkömmlichen Schweißprozessen muss die Aluminium-Silizium-Beschichtung im Bereich der späteren Schweißnaht zunächst entfernt werden. Ges-Wire nutzt dagegen einen speziellen Fülldraht, der diesen vorbereitenden Arbeitsschritt überflüssig macht. Neben kürzeren Prozessketten sieht Gestamp in den neuen Fügeverfahren auch Potenzial, Flanschbreiten und damit weiteres Gewicht zu reduzieren.

Gigastamping als Antwort auf Gigacasting

Die verschiedenen Entwicklungen folgen einer gemeinsamen Strategie. Gestamp will den Integrationsgrad seiner Stahlbauteile erhöhen und gleichzeitig die Zahl der notwendigen Fertigungs- und Fügeschritte reduzieren. Das Unternehmen spricht in diesem Zusammenhang von Gigastamping.

Der Begriff orientiert sich bewusst am Gigacasting, das den Karosseriebau durch großflächige Aluminiumgussteile verändern soll. Technisch unterscheiden sich beide Ansätze erheblich. Während beim Gigacasting flüssiges Aluminium in großen Druckgussanlagen verarbeitet wird, setzt Gestamp auf Stahlplatinen, Warmumformung und lokale Verstärkungen. Das Ziel ist dennoch vergleichbar. Möglichst viele Funktionen sollen in möglichst wenigen Bauteilen zusammengeführt werden.

„Die Integration vieler Komponenten in ein einziges Bauteil funktioniert auch mit Stahl. Das ist gewissermaßen unsere Antwort auf das Gigacasting“, bringt Linn den Ansatz auf den Punkt. Gerade bei preislich sensiblen Elektrofahrzeugen wie dem Skoda Epiq könnte diese Strategie an Bedeutung gewinnen. Denn dort zählen neben dem Gewicht vor allem Materialeinsatz, Investitionsbedarf, Taktzeiten und Montagekosten.