FutureCarProduction - Nachhaltige Karosseriekonzepte für den Fahrzeugbau

Mit gebündelter Kompetenzen zu passgenaue Lösungen

Das Leitprojekt »FutureCarProduction« fokussiert auf den Leitmarkt Mobilität und erarbeitet Lösungen für nachhaltige und innovative Karosseriekonzepte. Acht Fraunhofer-Institute gehen dabei der Frage nach, wie Fertigungskonzepte für Karosserien mit modernsten Füge- und Gießtechnologien hinsichtlich der Effekte auf Nachhaltigkeit und Kreislauffähigkeit bewertet werden können, um Ressourcen zu schonen und Effizienz sowie Leistungsfähigkeit zu steigern.

Das Fraunhofer LBF beschäftigt sich im Rahmen dieses auf vier Jahre angelegten Projekts mit der Auslegung, Bemessung und Gestaltung der Zuverlässigkeit moderner Fahrzeugstrukturen. Dabei erhalten die Untersuchungen durch die Notwendigkeit für nachhaltige und zuverlässige Bauteile nicht nur den Festigkeitseinfluss aus Fertigungsverfahren, sondern auch aus Legierungszusammensetzungen beschreiben zu können, ein besonderes Ziel. Wird dieses erreicht, steigert dies die Variabilität beim Einsatz unterschiedlicher Fertigungsverfahren und eröffnet die Möglichkeit Sekundär-Aluminiumlegierungen in großer Breite für nachhaltige wie auch sichere Produkte einsetzen zu können. 

Der Fahrzeugbau unterliegt derzeit einem Wandel, der geprägt ist von einerseits neuen Karosseriebauweisen unter Einbezug von hoch integrierten Großgussteilen sowie andererseits von Bestrebungen hin zu nachhaltigen Produkten, um die im Automobilbau gesetzten Klimaziele 2030 sowie CO₂-Neutralität bis 2050 auf sozial gerechte, ökologisch nachhaltige und kosteneffiziente Weise zu erreichen.

Im Rahmen des Leitprojekts »FutureCarProduction« gehen acht Fraunhofer Institute diesen beiden Punkten systematisch nach und verfolgen das Ziel, ganzheitliche Lösungsansätze für neue Karosseriekonzepte sowie die Entwicklung neuer Technologien im Zielkonflikt zwischen ökologischer Nachhaltigkeit, technischer Performance und Kosten zu bewerten. Der Lösungsansatz des Projektes umfasst dazu eine methodenbasierte Analyse und Bewertung von Fahrzeug- bzw. Karosseriearchitekturen unter Berücksichtigung von konventionellen und neuartigen Fertigungsprozessen (Gießen, Umformen, Fügen), Materialeinsatz (Einsatz von Sekundärrohstoffen),

Wiederverwendbarkeit bzw. Re-X-Prozessen (u. a. Re-Use, Re-Manufacturing, Re-Cycling) sowie Strukturintegrität. Die Aufgabe die Strukturintegrität im Sinne der Betriebsfestigkeit zu bewerten und gestaltbar zu machen hat das Fraunhofer LBF übernommen. So wird am Fraunhofer LBF nicht nur der Einfluss von Fertigungsrandbedingungen aus dem Gießen und Fügen, sondern auch die Auswirkungen unterschiedlicher Legierungszustände bei Aluminium-Druck- sowie Schwerkraftkokillenguss-legierungen auf die Zuverlässigkeit moderner Karosseriestrukturen untersucht. Die Erkenntnisse zum zyklischen Werkstoffverhalten von Sekundär- im Vergleich zu Primärlegierungen erlauben eine exakte Beschreibung der Bauteilfestigkeit und liefern Eingangsdaten für die spannungs- und dehnungsbasierte Bauteilbemessung. Im Zusammenspiel mit den Kosten sowie der Herstellbarkeit bildet die Bauteilperformance den wesentlichen Punkt in der Bewertung moderner Karosseriestrukturen. Aus der Kombination zum Wissen um die Gestaltungsmethoden von Guss- und Fügestrukturen mit der lokalen Bauteilfestigkeit erschafft das Fraunhofer LBF zuverlässige und sichere Karosserien.

Neben der Bauteilbewertung beschäftigt sich das Fraunhofer LBF mit der Erarbeitung eines Auslegungswerkzeuges für die Umsetzung nachhaltiger, kreislauf- und reparaturfähiger Karosseriestrukturen. Dies umfasst die Methodenentwicklung zur ganzheitlichen, teilautomatisierten LifeCycle-Bewertung und zur Optimierung der Karosserie unter Berücksichtigung relevanter Einflüsse aus den Fertigungskonzepten und der Zuverlässigkeit.

Sicherheit, Zuverlässigkeit und Performance von Karosseriestrukturen gestalten und bewerten

Die Aufgabe des Fraunhofer LBF im Rahmen des Vorhabens ist es, die Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie die Performance von Karosseriestrukturen zu gestalten sowie diese, insbesondere beim Einsatz von Recyclingmaterial, untereinander bewertbar zu machen. Dabei greifen numerische wie auch experimentelle Simulationsmethoden ineinander, um die zu entwickelnden Verbundgussstrukturen bezüglich Leichtbau, Lebensdauer, Schädigungsfortschritt und Sicherheit optimal auf den Anwendungsfall in der jeweiligen Fahrzeugarchitektur abzustimmen. Dies schließt die Auswahl der anwendungsbezogen, richtigen Karosseriefertigungsmethode mit ein, welche die höchste Nachhaltigkeit und Zuverlässigkeit bei geringsten Kosten abbildet.

Dabei werden grundlagenorientierte Methoden zur Festigkeitssimulation von Fügeverbindungen aus Strukturguss-Blech sowie Strangguss-Blech entwickelt, die die Gestaltung von Zuverlässigkeit und Sicherheit dieser Fügeverbindungen ermöglichen sowie den Einfluss von Recyclingmaterial auf die Zuverlässigkeit bewerten können. Für eine ganzheitliche Betrachtung neben nur klassische Blechbauweisen in Kombination mit Stranggussprofilen, Multimaterialverbünden auf Basis von Schweiß- und Nietprozessen untersucht, sondern im Wesentlichen Fraunhofer-eigene Ansätze über den Verbundguss »FusionCASTING^®« als hochintegrative Fertigungsmöglichkeit als Kombination von Strukturguss-, Stranggussprofilen und Schweiß-/Nietstrukturen gestaltet und bewertet. Die Ergebnisse des Teilprojektes ermöglichen einen weitreichenden und schnellen Einsatz im Automobilbau, um für spezifische Fahrzeugarchitekturen die jeweils optimale Karosseriefertigungsmethode auswählen zu können.