Wissenschaftler aus deutschen Forschungseinrichtungen und Experten aus dem industriellen Umfeld arbeiten gemeinsam an dem Forschungsvorhaben „Effiziente Mischbauweisen für Leichtbau-Karosserien“, Projektakronym LEIKA. Zu den Industriepartnern gehören unter anderem die ThyssenKrupp AG, die Kirchhoff Automotive GmbH und die KraussMaffei Group GmbH. Unter den beteiligten Forschungseinrichtungen befindet sich auch das Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) der Universität Paderborn. Das gemeinsame Projektziel ist die Entwicklung einer neuartigen Bauweise für Fahrzeuge im Bereich der Elektromobilität. Dabei werden u.a. großserientaugliche Herstellungsverfahren und Fügekonzepte für hochbelastete Karosseriestrukturen in metallintensiver Mischbauweise berücksichtigt.
Im September 2013 wurde das Verbundprojekt LEIKA als erstes Forschungsprojekt innerhalb der Plattform FOREL (Forschungs- und Technologiezentrum für ressourceneffiziente Leichtbaustrukturen der Elektromobilität) gestartet. In diesem Vorhaben wird eine hochintegrative Unterbodenstruktur bestehend aus einem neuartigen Metall-FVK-Sandwich-Werkstoff (Faser-Kunststoff-Verbund) entwickelt.
Erhebliches Leichtbaupotenzial ist insbesondere in der Kombination von Stahl bzw. Magnesium mit Faserverbundkunststoffen enthalten und stellt die Fügetechnik im Hinblick auf die effiziente dauerhafte Verbindung vor besondere Herausforderungen. Um die Leichtbaupotenziale der beiden Werkstoffklassen synergetisch nutzen zu können, bedarf es eines intelligenten Fügekonzeptes. Gerade im Bereich der Elektromobilität sind Leichtbaukarosserien in Mischbauweise von immanenter Bedeutung, da eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts mit der Senkung des Energiebedarfs und damit der Erhöhung der Reichweite einhergeht.
Rolle des LWF im Projekt LEIKA
Im Rahmen des Verbundprojekts LEIKA konzentriert sich das LWF auf die mechanischen und klebtechnischen Fügeverfahren sowie auf Sonderverfahren der thermischen Fügetechnik, wie z.B. das Reibelement- und Widerstandselementschweißen. Der Fokus liegt dabei auf der effizienten und werkstoffgerechten Verbindungsausbildung unter Sicherstellung von optimalen Verbundfestigkeits- und steifigkeitseigenschaften.
Das LWF forscht schwerpunktmäßig an der Neu- und Weiterentwicklung werkstoff- und automobilindustriegerechter Fügetechniken insbesondere für Mischbauweisen, bei denen der lokal optimierte Materialeinsatz und damit der Leichtbaugedanke im Vordergrund steht. Seit seiner Gründung vor 38 Jahren durch Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn gilt das LWF in der Entwicklung von Fügeverfahren für die Herstellung von Leichtbaufahrzeugen als einer der Pioniere. Im Jahr 2011 trat Prof. Dr. Ing. Gerson Meschut die Nachfolge von Prof. Dr. Ing. Hahn als neuer Leiter des LWF an. In weiten Bereichen der fügetechnischen Fertigung von Hybridsystemen sammelte er einschlägige Erfahrungen, unter anderem während der Tätigkeit bei Volkswagen zum 1-Liter Auto und der Mitarbeit in zahlreichen Karosserieleichtbauprojekten bei der Böllhoff GmbH & Co. KG in der Verbindungs- und Montagetechnik. Das LWF beschäftigt inzwischen rund 40 Mitarbeiter und erhielt bereits zahlreiche nationale und internationale Auszeichnungen auf dem Gebiet der Fügetechnik.
Hinsichtlich des BMBF-Projektes LEIKA weist das LWF eine langjährige Zusammenarbeit mit allen nationalen OEMs der Automobilindustrie, aber auch mit kleineren und spezialisierten Werkstoff- und Systemherstellern im Bereich der Elektromobilität auf. Ein aktuelles Beispiel hierfür ist das BMBF-Projekt „Light-eBody“, bei dem ein Leichtbaukarosseriekonzept für ein batterieelektrisches Fahrzeug mit dem Hintergrund der Ressourcenschonung entwickelt wird.
Am LWF sind vielfältige Arbeiten zur Lösung fügetechnischer Problemstellungen und zur Methodenentwicklung erfolgreich abgeschlossen worden. Die Übertragung dieser Erfahrungsbasis auf die skizzierten neuen Herausforderungen für elektromobile Leichtbaukonzepte der Großserienfertigung wird von der Forschungsstelle als sehr Erfolg versprechend eingeschätzt.
Kurzfristige Ziele in LEIKA
Für das Jahr 2014 liegt der Forschungsschwerpunkt des LWF auf der Entwicklung angepasster Verbindungstechnologien. Dazu werden zunächst die favorisierten Werkstoff- und Fügeverfahrenskombinationen ausgewählt. Anhand experimenteller Bemusterungen und Tragfähigkeitsversuche der Fügeproben werden die Prozessparameter wie auch die Randbedingungen optimiert. Damit wird die Sicherstellung einer größtmöglichen Reproduzierbarkeit sowie die Charakterisierung der Eigenschaftsprofile der Verbindungen verfolgt.
Teilziele sind unter anderem die Bewertung der zuvor ermittelten Fügeprozesse und Verbindungseigenschaften, die Entwicklung von Ersatzmodellen für die Crashberechnung der Fahrzeugstruktur sowie die Ableitung eines fügegerechten Gestaltungskataloges.
Durch die erarbeiteten anwendungsorientierten Forschungsergebnisse für die effiziente Fügetechnik von Strukturbauteilen in Metall-FVK-Sandwich-Bauweise wird ein hohes Innovationspotenzial mit breiter Ausstrahlung auf viele weitere Anwendungsfelder des Fahrzeug- und Maschinenbaus erschlossen. Die in LEIKA entwickelten Verbindungslösungen für das Beispiel der Bodengruppe mit integriertem Batteriespeicher werden daher Zukunftstechnologien sein, um Deutschland als Leitmarkt und Leitanbieter für die Elektromobilität zu etablieren.
Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von morgen“ (Förderkennzeichen 02PJ2760 – 02PJ2763) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.
Effiziente Mischbauweisen für Leichtbau-Karosserien – Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) der Universität Paderborn am Forschungsprojekt LEIKA beteiligt
