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07.05.2013 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

BMW i3: Automobilbau mit CFK

Autor:
Katrin Pudenz

Die BMW Group plant noch in diesem Jahr mit dem BMW i3 ein elektrisch angetriebenes Serienfahrzeug auf den Markt zu bringen. Das neue Konzept erfordert nicht nur den Einsatz moderner Leichtbaumaterialien, sondern ebenso neuartige Produktionsprozesse. BMW gewährt einen Einblick.

Um das Mehrgewicht der elektrischen Komponenten zu kompensieren, setzt BMW i bei seinen Fahrzeugen auf Leichtbau und innovativen Materialeinsatz. Zudem seien Konzept und Produktion des Autos bereits im Ansatz komplett neu definiert worden. Das Life-Modul - die Fahrgastzelle des künftigen Elektrofahrzeugs - besteht hauptsächlich aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, kurz: CFK. Der Einsatz dieses Hightech-Werkstoffs in dieser Größenordnung ist für die Großserienproduktion eines Fahrzeugs einzigartig, wie die Münchner betonen. Bisher habe die großflächige Verwendung von CFK als zu teuer gegolten, die Verarbeitung und Fertigung als zu aufwendig und nicht flexibel genug. Nach mehr als zehn jähriger Forschungsarbeit und Optimierung der Prozesse, Materialien, Anlagen und Werkzeuge verfüge das Unternehmen nun über das Know-how für eine industrialisierte CFK-Großserienproduktion.

Carbonfaser-Herstellung in Moses Lake

Aus einem sogenannten Precursor, einer thermoplastischen Textilfaser aus Polyacrylnitril, entsteht bei dem BMW-SGL-Joint-Venture SGL Automotive Carbon Fibers (ACF) im amerikanischen 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, wird erläutert. Diese sei lediglich sieben Mikrometer (0,007 Millimeter) dünn. Zum Vergleich: ein menschliches Haar misst rund 50 Mikrometer. Für die Verwendung im Automobilbereich werden anschließend circa 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 beispielsweise auch in Rotorblättern von Windenergieanlagen zum Einsatz.

Bereits bei der Herstellung der Carbonfasern in Moses Lake wird die Produktionsenergie ausschließlich regenerativ aus lokal verfügbarer Wasserkraft gewonnen. Damit der BMW i3 Ende 2013 in Leipzig planmäßig vom Band rollen kann, läuft die Produktion der Hightech-Fasern bereits seit Ende 2011, heißt es aus München: Zwei Produktionslinien mit einer Kapazität von je 1500 Tonnen pro Jahr sollen für den erforderlichen Nachschub. Damit liefern die Anlagen laut Unternehmensangaben bereits heute rund zehn Prozent der weltweiten CFK-Produktion.

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. Die Fasern seien nicht miteinander verschränkt oder verwoben, sondern in einer Ebene nebeneinander angeordnet. Eine Gewebestruktur würde die Faser krümmen und die Eigenschaften teilweise reduzieren. Erst die Faserorientierung im Gelege gewährleiste die 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.

Weiterverarbeitung zu CFK-Komponenten

Die Rezeptur, also die Zusammensetzung, Festigkeit und Geometrie der CFK-Teile, könne im Presswerk, abhängig von den konstruktiven Vorgaben, individuell jederzeit während des Herstellungsprozesses geändert oder angepasst werden. Das aus Wackersdorf angelieferte zugeschnittene Kohlefasergelege erhalte zunächst im sogenannten Preform-Prozess seine spätere Form. Ein Heizwerkzeug verleihe dabei dem Lagenpaket eine stabile, dreidimensionale Form. Mehrere dieser vorgeformten Preform-Rohlinge können dann zu einem größeren Bauteil zusammengefügt werden. So sollen sich beispielsweise großflächige Karosseriebauteile herstellen lassen, die sich in Aluminium oder Stahlblech nur schwer realisieren ließen. Nach dem Konfektionieren und Vorformen folge 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 erhalte das Material seine Steifigkeit und damit seine Eigenschaften.

Mit einer Zuhaltekraft von bis zu 4500 Tonnen arbeitet dann das Presswerk nach genau definierten, eigenentwickelten Zeit-, Druck- und Temperaturparametern, bis sich das Harz mit dem Härter vollständig verbunden hat und ausgehärtet ist, erläutern die Produktionsexperten. Mithilfe dieses BMW-eigenen Herstellungsverfahrens könne auf einen zusätzlichen Aushärteprozess in separatem Ofen, der üblicherweise einem CFK-Pressvorgang nachgeschaltet wird, verzichtet werden.

Das neue, speziell auf CFK ausgelegte Presswerk sei mit einer konventionellen Stahlblechherstellung nicht mehr vergleichbar. So reduziere beispielsweise der Wegfall einer klassischen Lackiererei und der kathodischen Tauchbadlackierung deutlich die Baukosten. Das Produktionsverfahren spare enorm Zeit und mache erst die Industrialisierung großer CFK-Verbundbauteile realistisch. Nur so sei es möglich, dass Formteile im einstelligen Minutenbereich aus dem Presswerk kommen.

Selbst komplexe Baugruppen wie zum Beispiel ein kompletter Seitentürrahmen des i3-Life-Moduls verlassen die Anlage mit vielen integrierten Strukturelementen, verraten die Münchner. Lediglich Feinarbeiten wie das saubere Zuschneiden der Bauteilkontur sowie das Einbringen fehlender Öffnungen seien noch zu erledigen. Dazu werden die Teile mit einer speziellen Wasserstrahlschneideanlage bearbeitet, danach gesandstrahlt und die Klebeflächen 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 benötige eine normale Stahlblecharchitektur wesentlich mehr Karosserieteile und wäre damit schon konstruktionsbedingt schwerer als das Life-Drive-Modul des i3.

Karosseriebau mit neuen Präzisionswerkzeugen

Die neu produzierten CFK-Verbundbauteile aus dem neuen Presswerk Leipzig sowie angelieferte CFK-Teile aus dem Presswerk Landshut werden in einer neuen Karosseriebauhalle zusammengefügt. Aus etwa 150 Teilen, das seien ein Drittel weniger als im konventionellen Stahlblechbau, entstehe die Grundform des Life-Moduls eines BMW i3. Dabei entstehe keine Lärmbelästigung durch Schrauben oder Nieten, keinen Funkenflug beim Schweißen. Vielmehr komme ausschließlich Klebetechnik zum Einsatz und die sei zu 100 Prozent automatisiert. In dem 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. Bei dem neu entwickelten Fertigungsprozess stehen alle Verbindungsbauteile im Life-Modul immer mit gleichem Abstand zueinander und bekommen so die gleiche Menge Klebstoff, wird erläutert. Nur diese Präzision garantiere eine perfekte Kraftübertragung zwischen den einzelnen CFK-Bauteilen und somit höchsten Qualitätsstandard in der Großserie. In der Summe ergebe sich pro Auto eine genau definierte Klebestrecke von 160 Meter Länge und 20 Millimeter Breite.

Zeitgewinn mit Sekundenkleber

Um Aushärtezeit der Klebeverbindungen für die Großserienproduktion des BMW i3 zu minimieren, hat BMW den Aushärteprozess beschleunigt. Ein neu entwickelter Klebstoff könne nun nur noch 90 Sekunden nach dem Auftragen auf ein Bauteil bearbeitet werden, bevor er Haftung aufbaue. Nach anderthalb Stunden sei er hart. Diese Eigenschaft entspreche 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 würden bestimmte Heftstellen an den zu klebenden CFK-Teilen zusätzlich aufgeheizt, um den Aushärteprozess noch einmal um das 32fache zu beschleunigen.

Verbindung mit dem Life-Modul

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 erhalte die innere 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 (Front-/Heckschürzen, Schweller etc.). Die farbigen Kunststoffformteile werden dazu unauffällig über spezielle Halterungen bei der Endmontage auf die innere Life-Modul-Zelle aufgeschraubt.

CFK-Recycling

Die BMW Group hat im Laufe der BMW-i-Entwicklungsarbeit ein Recyclingkonzept für CFK-Bauteile, Karosserieteile und sortenreine Produktionsabfälle bis zur Serientauglichkeit entwickelt. In verschiedenen Verfahren werden die Wertstoffe schon aus der Produktion und sogar von Unfall-/Altfahrzeugen im Automobilbau wiederverwertet und entweder dem Produktionsprozess erneut zugeführt oder in anderen Anwendungen eingesetzt, betonen die Experten. Beim Wiederaufbereitungsprozess werde zwischen Carbonfaser-Recycling mit trockenem, also nicht verharztem Material, und dem Verbundstoff-Recycling (CFK), bei dem nasse, schon mit Harz versetzte Kunststoffe zum Einsatz kommen, unterschieden. Die trockenen Carbon-Verschnittreste, die während der Produktion anfallen, könnten wieder zu hochwertigen Vliestextilien aufbereitet und zur Weiterverwendung in den Herstellungskreislauf eingehen. Rund zehn Prozent der beim i3 eingesetzten Carbonfasermenge seien bereits heute recyceltes Material.

Beim Verbundstoffrecycling - also der Verarbeitung der mit Harz vernetzten Carbonfasern - werde CFK zunächst aus der Mischung mit anderen Kunststoffen großtechnisch abgetrennt und beispielsweise in einer Pyrolyseanlage verarbeitet. Die Prozesswärme des Harzabbaus werde 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 werde die Rücksitzbanksitzschale aus so recycelten Kohlefasern gefertigt. Sie erfülle zu 100 Prozent die BMW Qualitätsstandards und wiege 30 Prozent weniger als eine in herkömmlicher Glasfasermattenbauweise. Gemahlen oder als Kurzfaser geschnitten, kommen das recycelte CFK beziehungsweise die Carbonfasern auch außerhalb der Autoindustrie in vielen Bereichen wieder zum Einsatz, wie es heißt. Sie könnten zum Beispiel in der Textilindustrie oder in der Elektronikindustrie (Gehäusewerkstoff für Steuergeräte) eingesetzt werden.

Die Produktion des elektrisch angetriebenen BMW i3 soll im Herbst 2013 anlaufen, Anfang 2014 soll der BMW i8, ein Plug-in-Hybrid-Sportwagen mit Elektroantrieb und Verbrennungsmotor, folgen. Die Produktion der BMW i Modelle werde mit rund 50 Prozent weniger Energieverbrauch sowie 70 Prozent weniger Wasserverbrauch - im Vergleich zum bereits effizienten BMW Produktionsdurchschnitt - auskommen. Der Strom für die Produktion der BMW i Modelle im Werk Leipzig stamme ausschließlich aus Windkraft und damit zu 100 Prozent aus regenerativen Energiequellen. So entstehen beispielsweise Windkraftanlagen zur direkten Stromversorgung der Produktion vor Ort. Der dann daraus gewonnene Strom decke den gesamten Strombedarf zur künftigen Produktion der BMW i Modelle am Standort Leipzig ab.

Tipp der Redaktion Automobil- und Motorentechnik:

Das Thema wird übrigens in Kürze auch dezidiert in LWD 3/2013 behandelt. Klicken Sie doch einfach in Kürze noch einmal rein.

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