Fachartikel

28.04.2017
erschienen in GIESSEREI Heft 5|2017

Leichtbaupotenzial von Guss für die Elektromobilität

Bild 1: Differenzialgehäuse des BMW i3 aus Gusseisen mit Kugelgrafit.

Die Automobilentwicklung nimmt durch immer neue und teilweise gegenläufige Zielsetzungen und Trends weiter an Komplexität zu. Wirtschaftliche Gesichtspunkte auf der einen Seite, ein verantwortungsvoller Umgang mit Energie und Ressourcen auf der anderen, ergeben konträre Aufgabenstellungen für Automobilhersteller und Zulieferer. Es ist absehbar, dass sich diese weiter verschärfen werden.

 VON GUIDO RAU, SCHAFFHAUSEN, SCHWEIZ

In diesem Kontext treibt die Automobilindustrie zurzeit kein Thema mehr um als die Elektromobilität. Um in Zukunft den Individualverkehr noch umweltfreundlicher zu gestalten, wird eine Vielzahl neuer Ansätze untersucht, den einhundert Jahre alten Verbrennungsmotor von Fahrzeugen durch eine elektrische Maschine zu ersetzen. Dies hat nicht nur Auswirkungen auf die OEMs selbst, sondern beeinflusst Produkte, Technologien und ganze Geschäftsmodelle vieler Zulieferer. Auch für die Gießereibranche stellt sich die Frage, welche Risiken, aber ebenso welche Chancen sich durch diese (R)Evolution ergeben.

Wettkampf der Technologien

Nach dem ersten E-Hype folgte eine deutliche Ernüchterung. So einfach, wie die Umstellung des Pkw auf einen elektrischen Antrieb im schnelllebigen Zeitalter von App und Crowdfunding zunächst schien, so komplex ist die Realisierung im Detail. Dabei ist längst noch nicht entschieden, welche Konzepte sich durchsetzen werden. Und es existieren diverse weitere interessante alternative Ansätze, wie zum Beispiel die Brennstoffzelle, die manchmal im Medienrummel etwas im Schatten der E-Mobility untergeht. Die Power-to-Gas-Technologie ist ebenfalls eine reizvolle Lösung – aber sie muss sich ebenso erst noch sowohl technisch als auch wirtschaftlich beweisen und entsprechend infrastrukturell verfügbar sein.

Das einzige, was bis jetzt sicher erreicht wurde, ist eine Verunsicherung der Endverbraucher. Diese spiegelt sich in einer jüngst veröffentlichten Studie der Unternehmensberatung PriceWaterhouseCoopers wider. Danach kann sich derzeit lediglich 1 % aller potenziellen Neuwagenkäufer vorstellen, ein Fahrzeug mit reinem Elektroantrieb zu kaufen. Kein Wunder, denn die Vielzahl neuartiger, teilweise noch nicht ausgereifter Konzepte überfordert den Kunden. Zu viele Fragen hinsichtlich Kosten, Reichweite, Verfügbarkeit von Ladeinfrastruktur und nicht zuletzt der Lebensdauer der Batterie sind noch nicht zufriedenstellend beantwortet. Der wichtige Faktor „Verbraucher“ wird in diesem Kontext oftmals vernachlässigt. Doch gerade wenn es um den Autokauf geht, zählen eben nicht nur die harten Fakten, sondern auch das Bauchgefühl.

Ein Blick in die Medien macht uns jedoch deutlich, dass neue Lösungen notwendiger sind denn je. Den CO2-Ausstoß zu reduzieren ist eines der drängendsten Probleme dieser Welt, die globale Erwärmung mit ihren klimatischen Einflüssen ist in vollem Gang.

Ist die Elektromobilität der Schlüssel dazu? Es sind dabei zwei wichtige Aspekte zu berücksichtigen. Zunächst besitzt der rein elektrische Antrieb zwar einen in der Summe besseren Wirkungsgrad. Strom ist jedoch lediglich Energieträger und keine Energiequelle. Wird er hauptsächlich mit fossilen Ressourcen erzeugt, so bietet er in der CO2-Bilanz meist wenig Vorteile gegenüber einem Otto- oder Dieselmotor. Aus diesem Blickwinkel hat die Energiewende nun auch für den Verkehr eine wichtige Bedeutung. Des Weiteren werden vermehrt nicht nur Kohlendioxid-Emissionen betrachtet, die beim Betrieb eines Fahrzeugs entstehen, sondern auch deren Freisetzung bei der Herstellung von Werkstoffen, Halbzeugen, Bauteilen und Komponenten. Das Ziel ist eine gesamtheitliche Betrachtung des Fahrzeuglebenszyklus von der Rohstoffquelle bis hin zum Recycling nach der Nutzung. Diese Tatsache muss in Zukunft vermehrt bereits bei der Werkstoff- und Verfahrensauswahl im Rahmen der Konstruktion eines Fahrzeugs berücksichtigt werden.

Auswirkungen auf die Gießereibranche

Doch wann nun genau wie viele Pkw mit Strom angetrieben werden, bleibt eine müßige Diskussion, die sich noch über Jahre hinziehen wird. Fakt ist, dass sich – unabhängig vom Zukunftsszenario – die Bauteilspektren schon längst verändert haben. Denn Hybridisierung und Downsizing beeinflussen die als klassische Gussteile bekannten Komponenten bereits heute und sind damit quasi die Vorboten der Elektromobilität (Bild 1). Alle Bauteile des Verbrennungsmotors sowie des Antriebsstrangs sind hierdurch betroffen. Hierzu gehören zum Beispiel der Zylinderkopf, das Kurbelgehäuse und die Kurbelwelle. Dabei werden diese Teile zunächst kleiner und gleichzeitig höher belastet; bei reinem Elektroantrieb entfallen sie schließlich ganz. Eine Herausforderung sowohl für das mancherorts geübte Tonnage-Denken der Gießereien und ebenso für Werkstoffe und Herstellverfahren.

Alle anderen Einzelteile des Autos stehen gleichfalls unter einem zusätzlichen Druck hin zu Leichtbau. Sowohl hybrid als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge müssen leichter sein, um das Zusatzgewicht der Batterie zu kompensieren und die Reichweite zu verlängern. Trotz aller technischen Detailverliebtheit dürfen die Kosten dabei nicht außer Acht gelassen werden. Insbesondere preissensitive Fahrzeuge sind durch ihre hohen Stückzahlen die Hauptproduzenten von CO2-Emissionen.

Lost-and-found: neue Potenziale in Guss

Neben den Bauteilen, die beim elektrisch angetriebenen Fahrzeug nicht mehr notwendig sind, gibt es auch neue Anwendungen. Dabei bietet insbesondere das Druckgießverfahren die Möglichkeit, äußerst dünne Wandstärken zu realisieren. In Bild 2 sind dünnwandige Batteriegehäuse und -träger gezeigt, die zum Teil durch Kühlkanäle die Temperierung der Batterie realisieren.

Weiterhin hat der E-Motor selbst weiteres Potenzial, hier ist ebenso die Integration von Kühlkanälen und weiteren Funktionen in Guss möglich. Bild 3 zeigt das Beispiel eines gegossenen Radträgers für den Konstruktionswettbewerb Formula Student der ETH Zürich und Georg Fischer, in den Planetengetriebe und Motor integriert werden können.

Lösungsansätze für Leichtbau in Guss

Besonders bei der Elektromobilität bleibt Leichtbau Pflicht. Dieser lässt sich über verschiedene Wege erreichen: Die Wahl der Konstruktion, des Werkstoffes und auch des Herstellverfahrens hat maßgeblich Einfluss auf das Gewicht eines Bauteils. Das Gießverfahren bietet zahlreiche Möglichkeiten, Bauteile leichter zu gestalten. Es erlaubt hohe Gestaltungsfreiheit, um den richtigen Werkstoff an der richtigen Stelle einzusetzen und hilft, mehrere Funktionen in einem Bauteil zu integrieren. Durch den Einsatz höherfester Gusswerkstoffe wie SiboDur oder AluSiDur können tragende Querschnitte kleiner und damit leichter gestaltet werden. Die Bionik ermöglicht es, die geeignetsten Lastpfade aus einem gegebenen Bauraum zu identifizieren, die sich dann am wirtschaftlichsten in einem Gussteil realisieren lassen. „Form follows Function“ – die Kunst, Material dort wegzulassen, wo es nicht benötigt wird.

Schwenklager wird es mit entsprechend angepasster Geometrie auch in Elektrofahrzeugen weiterhin geben. Einen Vergleich verschiedener Konzepte zeigt Tabelle 1. Sie beweist, dass ein Bauteil aus hochfestem Gusseisen mit Kugelgrafit nicht schwerer als ein in Aluminium ausgeführtes sein muss, wenn man alle Potenziale der Bionik und Integration konsequent nutzt und die Systemgrenzen ausweitet. Hiermit spart jede vermiedene Schnittstelle nicht nur Gewicht sondern gleichzeitig Kosten bei der Herstellung und Montage.

Guss ermöglicht auch in der Karosserie des E-Mobils Strukturleichtbau. Speziell, wenn Bereiche mit hoher Belastung und komplexer Geometrie entstehen, kann Guss punkten. Bild 4 zeigt dies am Beispiel eines Federbeindoms aus Aluminiumdruckguss. Dünnwandige Bereiche, kombiniert mit Rippen in hochbelasteten Krafteinleitungsbereichen, erlauben einen effizienten Materialeinsatz. Durch die Integration der oberen Querlenkeranbindung in das Gussteil konnte Materialdopplung vermieden und Leichtbau erreicht werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Elektromobilität verändert die Welt – auch die der Automobilzulieferer. Manche Komponenten werden für die Gießerei verloren gehen, aber es werden auch neue Chancen entstehen. Es liegt an uns, diese neuen Anforderungen zu erkennen und in Bauteillösungen erfolgreich umzusetzen.

Guss bietet ein sehr breites Spektrum an Antworten und hält auch in einem sich verändernden Umfeld attraktive Ansätze für automobile Bauteilanwendungen bereit. Neue Werkstoffe, innovative Konstruktionskonzepte und moderne Herstellverfahren bieten auch in Zukunft eine Grundlage für wettbewerbsfähigen und bezahlbaren Leichtbau. Dabei ist insbesondere zu erwähnen, dass Gusswerkstoffe leicht zu recyceln und deswegen nachhaltig CO2-effizient sind.

Um auch in Zukunft für Fahrzeuge interessante Lösungen anbieten zu können, sind weitere Ideen nötig. Werkstoffe mit gesteigerten Eigenschaften, verbunden mit neuen Grenzen für minimale Wandstärken werden helfen, weiterhin attraktiven und wirtschaftlichen Leichtbau zu realisieren. Eine intelligent gewählte Multimaterialbauweise kann darüber hinaus neue Möglichkeiten eröffnen, um nach dem Motto „das Beste aus allen Welten“ neue Lösungen darzustellen.

Guido Rau, Dipl.-Ing. (FH), Leiter Forschung & Validierung, Georg Fischer Automotive AG, Schaffhausen/Schweiz

www.automotive.georgfischer.com