Leichtbau-Experte Karosserie aus einem Guss: „Eine schöne und lohnenswerte Aufgabe“

Autor: Thomas Günnel

Tesla wirbt damit, bald eine Karosserie „aus einem Guss“ zu fertigen. Heinrich Timm, Mitglied des Vorstands Composites United e.V. und langjähriger Leiter des Audi-Leichtbauzentrums, ordnet die Ankündigung ein.

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Heinrich Timm hat den „Audi Space Frame“ maßgeblich entwickelt.
Heinrich Timm hat den „Audi Space Frame“ maßgeblich entwickelt.
(Bild: Heinrich Timm)

Herr Timm, Sie haben maßgeblich den „Audi Space Frame“, kurz ASF, entwickelt, vereinfacht gesagt ein Verbund aus Druckgussknoten und Strangpressprofilen. Jetzt will Tesla nahezu die gesamte Karosserie aus einem Guss herstellen. Löst dieses Verfahren Ihre Idee ab?

Mit Bezug auf die genannte Aussage von Elon Musk, 70 Stanzteile durch vier Aluminium-Druckgussteile zu ersetzen, weiß der Fachmann, dass nicht die ganze Karosserie damit angesprochen wird, sondern etwa ein Drittel der Teile einer modernen Karosserie. Bei den Karosserien der zweiten und dritten Generation des Audi A8 wurde jeweils ein Drittel des Karosseriegewichts in Aluminium-Druckguss realisiert.

Die von Elon Musk genannte Größenordnung bedeutet circa 17 Blechteile in ein multifunktionales Druckgussteil zu integrieren. Dieses Ziel ist ambitioniert aber durchaus realistisch. In den Audi-A8-Fahrzeugen finden sie zum Beispiel schon seit Generationen den Federbeintopf vorn als Aluminium-Druckgussteil, dabei wurden zehn Blechteile zu einem Druckgussteil zusammengefasst. Dieses Konzept wurde zwischenzeitlich von allen Premiummarken übernommen und ist selbst in der Mittel-Klasse zu finden, z. B. Mercedes-Benz C-Klasse. Die Gewichtseinsparung bei Audi betrug 10,9 Kilogramm pro Fahrzeug.

Es ist erstmal eine Marketingaktion.

Elon Musk löst also, wenn er sein Vorhaben realisiert, nicht das ASF-Basiskonzept ab, sondern optimiert die „ASF-Komponente-Druckguss“ weiter. Die Bezeichnung „Karosserie aus einem Guss“ lässt mit Sicherheit genügend Raum zum Einsatz anderer Materialien oder Halbzeuge und ist erst einmal eine Marketingaktion.

Schauen sie zum Beispiel auf die sogenannte Carbon Karosserie eines BMW i3. Bezogen auf das Gewicht des sogenannten Life-Moduls waren etwa 50 Gewichtsprozente in CFK-Composite, beziehen Sie das Drive-Modul in die Karosserie mit ein, war es knapp ein Viertel des Karosseriegewichts.

Wie schätzen Sie das Verfahren grundsätzlich ein, ist es praktikabel? Welche Schwierigkeiten sehen Sie?

Grundsätzlich begrüße ich jedes Bestreben, die Potenziale aus Technologien und den dazugehörigen Prozessen herauszukitzeln. Nur der Wettbewerb in den Weiterentwicklungen aller Technologien bringt unsere Wirtschaft voran. So sind die CFK-Monocoque-Bauweisen, (Anm. d. Red.: Eine Insassenkabine in einer Baueinheit) die für Kleinserien seit Jahren auf dem Markt sind, auf jeden Fall eine gute Herausforderung, um ähnliches im alternativen Leichtbauwerkstoff Aluminium zu realisieren. Dabei darf nie versucht werden zu substituieren. Jedes Materialkonzept verlangt sein spezifisches werkstoffgerechtes Konzept.

Grundsätzlich sehe ich in neuen Herausforderungen keine Schwierigkeiten, sondern Aufgaben. So hat Tesla die Aufgabe zu lösen, nach bionischen Grundregeln die aluminiumgerechte Geometrie zu definieren, die gießtechnisch realisierbar ist. Das ist eine schöne und lohnenswerte Aufgabe.

Wie groß kann das Einsparpotenzial sein, gegenüber einem klassischen Karosserierohbau?

Eine Pauschalantwort kann auf diese Frage nicht gegeben werden, weil sehr viele Parameter in einer seriösen Antwort berücksichtigt werden müssten. Ohne Ihnen eine Antwort mit einer Prozentangabe zum Einsparpotenzial zu geben, bestätige ich das Ziel zur Teilezahlreduzierung ausdrücklich als sehr lohnenswert. Die Reduzierung der Teilezahl ist unabhängig vom Material ein sehr großer Hebel zur Kostenreduzierung.

Zusätzlich wird jedes Kilogramm Gussbauteil mit zunehmender Größe und Multifunktionalität günstiger. In der Entwicklungsgeschichte des Audi A8 realisierten wir folgende Teilezahl-Reduzierungen: Vom Audi V8 (Stahlblech) zum Audi A8-D2 (Vollaluminium) über 30 Prozent, vom A8-D2 zum A8-D3 knapp 20 Prozent, vom A8-D3 zum A8-D4 gut 6 Prozent. Das Tesla-Vorhaben ist auf jeden Fall erstrebenswert. Um ein Empfinden zu bekommen, wie stark die Einsparpotenziale variieren können, soll ein Blick auf einige Einflussparameter helfen, die da sind.

  • Werkzeuginvestitionen: Das Investitionsdelta „Tiefziehwerkzeuge zu Druckgusswerkzeuge“ ist nicht in Prozenten, sondern in Faktoren zu beziffern. Ein mittleres Tiefziehwerkzeug kostet einige Millionen Euro, ein mittleres Druckgusswerkzeug einige hunderttausend Euro. Je nach Stückzahl sind hier jedoch Folgewerkzeuge zu berücksichtigen. Für kleine Stückzahlen führen zum Beispiel die noch teureren CFK-Composites auf Grund der extrem niedrigen Werkzeuginvestitionen zum positiven Business Case.
  • Produktionsstückzahl: Die geplante Stückzahl hat den erheblichsten Einfluss auf das Ergebnis im Business Case. Amortisations- und Materialkosten wechseln hier in ihrer Bedeutung.
  • Vorrichtungsinvestitionen: Es werden zwar weniger Vorrichtungen als im Blechzusammenbau benötigt, diese müssen auf Grund der Gussteilesteifigkeit jedoch erheblich steifer sein.
  • Produktionsfläche: Weniger Teile bedeutet weniger Zusammenbaustationen und folglich weniger Produktionsfläche.
  • Logistik: Weniger Teile bedeutet entsprechend geringerer Logistikaufwand.
  • Veränderte Produktionszeit: Weniger Teile heißt weniger Verbindungstechnik und damit weniger Fertigungszeit.
  • Greenfield-Investment oder Werkumrüstung: Diese Entscheidung kann nicht immer frei gewählt werden. Je nach Situation kann man hier bei unterschiedlichen Materialkonzepten landen.

Von der Antwort Ferdinand Dudenhöffers „20 bis 30 Prozent“ distanziere ich mich, zumal er sich ausschließlich auf die Anzahl der Roboter bezieht.

Die Karosserie benötigt Anbindungspunkte für Anbauteile. Wie lassen sich diese integrieren, wenn die Karosserie aus einem Guss hergestellt wird?

Gerade die Integration der Anbindungselemente für Anbauteile verhilft zu einer enormen Teilezahlreduzierung. Die Integration der Anbindungselemente ist State of the Art seit dem ersten Audi A8 im Jahr 1994. Ein Weg ist, die Elemente verkapselt in die Werkzeuge einzulegen und einzugießen.

Tesla wirbt damit, dass die aus einem Guss gefertigte Karosserie sicherer sei, weil Kräfte zum Beispiel bei einem Unfall besser abgeleitet würden. Aluminium hat aber eine geringere Festigkeit als Stahl. Ist die versprochene höhere Sicherheit tatsächlich möglich?

Ob das beim Tesla erreicht wird, kann Tesla am Ende nur selbst beweisen. Grundsätzlich könnten durch die neuen Gussteile gegebenenfalls Geometrien mit optimalen bionischen Strukturen realisiert werden, wodurch Kraftflüsse frei von Biegemomenten abgestützt werden könnten.

Das Tesla-Karosseriekonzept wird, wie schon gesagt, nicht ausschließlich aus Gussteilen bestehen. Eine komplexe Struktur wie eine Karosserie mit extrem unterschiedlichen Belastungsfällen, aus nur einer Werkstoffgattung zu konzipieren, entspricht nicht dem State of the Art, um den besten Kompromiss in Funktionalität und Wirtschaftlichkeit zu erzielen. Hierfür sind eindeutig materialhybride Konzepte angesagt. Hier sollten wir geduldig das Sicherheitskonzept von Tesla abwarten.

Was ich sicher sagen kann ist, dass trotz geringerer Festigkeit des Aluminiums die „Audi Space Frame“-Karosserien in den Standardtests jeweils geringere Intrusionen aufwiesen als vergleichbare Stahlblechkarosserien. Das Space-Frame-Konzept beruht auf einem Knoten/Schaft-Prinzip mit jeweils geringen Knicklängen. Die Fahrgastzelle ist somit wie ein Sicherheitskäfig konzipiert, wie er bei Sporteinsätzen von Serienfahrzeugen oft erst nachträglich eingeschraubt wird. Die Materialfestigkeit ist also nicht der einzige Parameter für die Fahrzeugsicherheit.

Als Sonderfälle sind jedoch die Missbrauchstest zu sehen, bei denen punktuell eingeleitete Kräfte das Leistungsniveau eines Materials überfordern. In diesen kritischen Bereichen sind materialhybride Konzepte einzusetzen.

Wie sieht es kostenseitig aus? Aluminium ist ein teurer Werkstoff. Kann es sich wirtschaftlich überhaupt lohnen, daraus eine ganze Karosse herzustellen?

Wenn man es richtig macht und ganzheitlich im Fahrzeugkonzept umsetzt, kann man ein Auto mit erheblich besserer Funktion wirtschaftlich realisieren. Dafür müssten in einem Unternehmen jedoch alle Bereiche an einem Strang ziehen, oder es müsste einen CEO haben, wie es Audi einst mit Dr. Piëch hatte. Er hatte eine klare Vision für ein verbrauchsarmes und dennoch sportliches Auto und die Macht, die Bereiche auszurichten.

Als Audi 1994 mit dem ersten Audi A8 den Schritt in eine Vollaluminium-Karosse tat, gab es alternativ ausschließlich selbsttragende Stahlblechkarosserien aus dem einfachen Tiefziehstahl. Heute gibt es dagegen sehr viele Materialalternativen aus dem Spektrum der unterschiedlichen Stahlblechqualitäten bis hin zu Composites mit Carbon-Fasern. State of the Art sind heute Materialhybride gemäß dem Ziel: Den richtigen Werkstoff in kleinster Menge funktionsabhängig am richtigen Platz.

Zurück zu Ihrer konkreten Frage. Die wirtschaftliche Realisierung neuer Technologien verlangt neben den Materialkenntnissen auch die Offenheit fürs Ganze. Unverständlicherweise denken noch zu viele in Kilo-Kosten und nicht in Funktionskosten. Bei 50 Prozent Gewichtseinsparung kostet der teurere Werkstoff eben auch nur noch die Hälfte bezogen auf die Funktion. In der Produktion entsteht selbstverständlich Produktionsschrott der rückgeführt wird. Die höheren Erträge für die Rückführung des teureren Produktionsschrottes gehören selbstverständlich in die Projektrechnung. Ganz wichtig ist, die sekundären Gewichtsreduzierungen monetär zu bewerten und in die Projektrechnung einzubeziehen.

Ein Kilogramm Auto hat einen nicht unerheblichen Durchschnittspreis – diesen mit den sekundär ersparten Kilogramm zu multiplizieren kann einen wesentlichen Teil der Materialmehrkosten kompensieren. Beim ersten Audi A8 landeten wir so letztlich bei einer wirtschaftlichen Entscheidbarkeit.

Müssen sich deutsche Automobilhersteller sorgen, dass das neue Verfahren ihre bestehenden Rohbauanlagen im Wortsinn alt aussehen lässt?

Bei jedem Modellwechsel werden Produktionsanlagen ohnehin weitgehend erneuert. Moderne Karosserien sind aktuell Materialhybride, die Produktionsanlagen bereits auf flexible Materialpaarungen eingerichtet. Die alternativen Antriebsstränge erfordern neue Schnittstellen und flexible Modularität. Die aus dem angesagten Tesla-Karosserie-Konzept zu erwartenden Veränderungen dürften in den Werken keine Kopfschmerzen auslösen.

Ergänzendes zum Thema
Über Heinrich Timm

Heinrich Timm, Jahrgang 1947, studierte Fahrzeugtechnik in Hamburg. 1972 startete er seine Berufslaufbahn bei Audi in Ingolstadt als Entwickler für Gesamtfahrzeugkonzepte. Im Jahr 1977 wurde Timm Gruppenleiter der Vorentwicklung Aufbau. Ab 1980 nahm er im Audi-Management diverse Leitungsstellen ein:

  • 1980 Leiter Vorentwicklung Aufbau
  • 1982 Leiter Konzeptentwicklung und Grundlagen
  • 1994 Technischer Projektleiter Audi A3
  • 1996 Leiter Technische Projektleitungen der A-Reihe
  • 1998 Leiter des Bereiches „Technische Projektleitungen Audi TE“
  • 2003 Leiter des Bereiches „ Audi-Leichtbau-Zentrum „
  • 2003 bis 2007 Audi Gesamtprokura
  • 2011 & 2012 Audi Technologie Netzwerke

Seit dem Jahr 2007 ist Heinrich Timm Mitglied im Vorstand des Carbon Composites e. V. / Composites United e. V.

Wie beurteilen Sie weitere Bedenken zu Steifigkeit, Reparatur und Ökobilanz bei Aluminium?

Das sind drei Disziplinen, die leider bereits seit Jahrzehnten von negativen Vorurteilen geprägt werden, obwohl seit Jahrzehnten eindeutige Fakten vorliegen. Steifigkeit ist das Produkt aus Elastizitätsmodul und Trägheitsmoment, die geringere Festigkeit hat keinen Einfluss auf Steifigkeit. Das ASF-Konzept haben wir erfunden, weil wir mit dieser Bauweise den wesentlich geringeren Elastizitätsmodul (1/3 von Stahl) von Aluminium kompensieren konnten. Die Space-Frame-Karosserien waren trotz mehr als 40 Prozent Gewichtsreduzierung stets auch best-in-class im Steifigkeitsvergleich.

Mit dem Vorurteil, dass Alu-Karossen nicht reparierbar seien, wurde ich schon vor 25 Jahren immer wieder konfrontiert. Seit der Einführung der ASF-Aluminium-Karosseriebauweise in 1994 wurde der Audi A8 in der untersten Versicherungsstufe seines Segments eingeordnet und blieb auch nach den Felderfahrungen in dieser Einstufung – weil in der Konzeptauslegung der Karosserie die Reparierbarkeit entsprechend berücksichtigt wurde. Alle anderen Modelle mit ASF-Karosserien waren ebenfalls best-in-class eingestuft. Die Tatsache, dass Versicherungsgesellschaften uns bestimmt nichts schenken, sollten auch den größten Skeptiker überzeugen.

Über Ökobilanzen kann man famos streiten. Hierbei nimmt gern jeder den Blickwinkel ein, der seinem Interesse entspricht. Darum möchte ich eine simple Ableitung wählen: Das Recycling von Aluminium bedarf weniger als ein Zehntel der Energie vom Stahlrecycling und kann wieder und wieder wiederholt werden. Wer hier mal neutral kalkuliert erhält realistische Antworten.

Als Schlusssatz möchte anfügen: Ich verstehe mich als Leichtbau-Entwickler, der in Abhängigkeit der Funktionsansprüche den dafür jeweils am besten geeigneten Werkstoff unter ökologischen und ökonomischen Prämissen zum Einsatz bringen möchte. Funktionsansprüche sind im steten Wandel und darum ist der Wettbewerb der Technologien notwendig um generell einen Technologievorsprung zu erhalten.

Die Fragen stellte Thomas Günnel

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Über den Autor

 Thomas Günnel

Thomas Günnel

Redakteur/Fachjournalist, Redaktion AUTOMOBIL INDUSTRIE