Kategorie: BMWi Elektro

18.04.2013
BMW i: Beginn einer neuen Ära – der Automobilbau mit CFK.
 

Konsequenter Leichtbau ist besonders bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb von großer Bedeutung, denn neben der Batteriekapazität ist das Fahrzeuggewicht der limitierende Faktor bei der Reichweite. Je leichter ein Fahrzeug ist, desto größer wird die Reichweite, schon weil der Elektromotor beim Beschleunigen weniger Masse in Bewegung setzen muss. Und gerade in der Stadt wechseln Brems- und Beschleunigungsphasen einander häufig ab. Neben höheren Reichweiten bedeutet ein niedriges Fahrzeuggewicht aber auch weniger Energieverbrauch und ein Plus an Fahrdynamik. Zudem kann dann die Batterie kleiner ausfallen.

Industrialisierung der CFK-Produktion.

BMW i3 CFK-Fahrgastzelle (Life-Modul)

Um das Mehrgewicht der elektrischen Komponenten zu kompensieren, setzt BMW i bei seinen Fahrzeugen daher konsequent auf Leichtbau und innovativen Materialeinsatz. Zudem wurden Konzept und Produktion des Autos schon im Ansatz komplett neu definiert. Das Life-Modul – also die Fahrgastzelle des künftigen BMW i3 – besteht hauptsächlich aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, kurz: CFK. Der Einsatz des leichten und crashsicheren Hightech-Werkstoffs in dieser Größenordnung ist für die Großserienproduktion eines Fahrzeugs einzigartig, denn bisher galt die großflächige Verwendung von CFK als zu teuer, die Verarbeitung und Fertigung als zu aufwendig und nicht flexibel genug. Doch BMW hat das Potenzial des Werkstoffs früh erkannt. Und nach über zehn Jahren intensiver Forschungsarbeit und Optimierung der Prozesse, Materialien, Anlagen und Werkzeuge verfügt die BMW Group als einziger Automobilhersteller über das erforderliche Know-how für eine industrialisierte CFK-Großserienproduktion. Wie ausgereift der Produktionsprozess heute ist, zeigt sich vor allem in der erreichten Prozesssicherheit, den schnellen Taktzeiten und der hohen Qualitätsgüte der produzierten CFK-Bauteile.

Gleichwohl erfordern Leichtbauwerkstoffe wie Aluminium oder Carbonfasern bei ihrer Herstellung einen höheren Energieaufwand als beispielsweise Stahl. Deswegen legt BMW bei Herstellung und Verarbeitung größten Wert auf Ressourcenschonung und eine weitgehend CO2-freie Stromversorgung. Im Fokus stehen hierbei der Energie- und Wasserverbrauch, das Prozessabwasser, die Lösungsmittelemissionen und der Abfall. Dabei sind die Einsparungen eine direkte Folge des neuen Produktionskonzepts. Hier hat die BMW Group zusammen mit dem angeschlossenen Joint Venture SGL Automotive Carbon Fibers (ACF) von der Faserproduktion bis hin zum Recycling der Fasern und Verbundstoffe (siehe Kapitel "BMW i: CFK Sicherheit und Reparatur") als „Besitzer“ sämtlicher Prozessschritte eine einzigartige Position in der Industrie.

Moses Lake: Carbonfaser-Herstellung mit Wasserkraft.

Aus einem sogenannten Precursor, einer thermoplastischen Textilfaser aus Polyacrylnitril, entsteht bei der SGL 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. Diese ist lediglich sieben Mikrometer (0,007 Millimeter) dünn, ein menschliches Haar dagegen misst rund 50 Mikrometer. Für die Verwendung im Automobilbereich werden anschließend ca. 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 zum Beispiel auch in großen Rotorblättern von Windenergieanlagen zum Einsatz.

Schon bei der Herstellung der Carbonfasern in Moses Lake wird die Produktionsenergie ausschließlich regenerativ aus lokal verfügbarer Wasserkraft gewonnen und ist damit zu 100 Prozent CO2-frei. Auch in Sachen Energieeffizienz setzt das hochmoderne Werk im US-Bundesstaat Washington Maßstäbe. Im Vergleich zur konventionellen CFK-Produktion beträgt die Einsparung an CO2e (Treibhauspotenzial) rund 50 Prozent. Damit der BMW i3 Ende 2013 in Leipzig planmäßig vom Band rollen kann, läuft die Produktion der ultraleichten Hightech-Fasern bereits seit Ende 2011. Zwei Produktionslinien mit einer Kapazität von aktuell je 1.500 Tonnen pro Jahr sorgen für den erforderlichen Nachschub. Damit liefern die Anlagen schon heute rund zehn Prozent der weltweiten CFK-Produktion.

Die beiden Muttergesellschaften BMW Group und SGL Group haben bislang rund 100 Millionen US-Dollar in die Fertigungsanlage in Moses Lake investiert und 80 neue Arbeitsplätze geschaffen.

Wackersdorf: 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. Anders als bei Geweben sind die Fasern nicht miteinander verschränkt oder verwoben, sondern in einer Ebene nebeneinander angeordnet. Eine Gewebestruktur würde die Faser krümmen und die hervorragenden Eigenschaften teilweise reduzieren. Denn erst die Faserorientierung im Gelege gewährleistet die optimalen 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.

Landshut: Weiterverarbeitung zu CFK-Komponenten.

Die aus Wackersdorf angelieferten Carbonfaser-Gelege werden in den Presswerken in Landshut und Leipzig zu CFK-Karosserieteilen weiterverarbeitet. In Landshut ist es den Spezialisten der BMW Group gelungen, den Fertigungsprozess für CFK-Bauteile in den letzten zehn Jahren so weiterzuentwickeln und zu automatisieren, dass heute eine wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Großserienfertigung mit hoher Prozesssicherheit möglich ist. Schon seit geraumer Zeit werden in Landshut die Dächer für die BMW Modelle M3 und M6 sowie die Stoßfängerträger des M6 in industrialisierter CFK-Produktion gefertigt.

Nach einer Investition von 40 Millionen Euro und dem Start der Carbon- Produktion mit rund 100 Mitarbeitern im März 2012 gilt der Standort Landshut als das entscheidende Innovations- und Produktionszentrum für CFK-Komponenten. Um das hohe technische Know-how bei der Verarbeitung von innovativen Leichtbauwerkstoffen zu sichern, setzt man in Landshut auf den eigenen Nachwuchs. Deshalb wurde die Zahl der Auszubildenden auf jährlich 40 junge Nachwuchskräfte erhöht.

Leipzig: eigene Werkstoffherstellung mit variabler Rezeptur.

Das neu errichtete Presswerk in Leipzig verfügt über modernste Technologie für CFK im Automobilbau. In der für eine industrielle Großserienproduktion dimensionierten Anlage stellt BMW jetzt seine eigenen Kohlefaserverbundwerkstoffe her. Die Rezeptur, also die Zusammensetzung, Festigkeit und Geometrie der CFK-Teile, kann im Presswerk, abhängig von den konstruktiven Vorgaben, individuell jederzeit während des Herstellungsprozesses geändert oder angepasst werden. Das aus Wackersdorf angelieferte zugeschnittene Kohlefasergelege erhält zunächst im sogenannten Preform-Prozess seine spätere Form. Ein Heizwerkzeug verleiht dabei dem Lagenpaket eine stabile, dreidimensionale Form. Mehrere dieser vorgeformten Preform-Rohlinge können dann zu einem größeren Bauteil zusammengefügt werden. So lassen sich beispielsweise großflächige Karosseriebauteile herstellen, die sich in Aluminium oder Stahlblech nur schwer realisieren ließen. Nach dem Konfektionieren und Vorformen folgt 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 erhält das Material seine Steifigkeit und damit seine hervorragenden Eigenschaften.

Die Industrialisierung der CFK-Produktion hat begonnen.

Mit einer Zuhaltekraft von bis zu 4.500 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. Dank dieses speziellen BMW eigenen Herstellungsverfahrens kann auf einen zusätzlichen zeitraubenden Aushärteprozess in separatem Ofen, der üblicherweise einem CFK- Pressvorgang nachgeschaltet wird, verzichtet werden.

Das neue, speziell auf CFK ausgelegte Presswerk ist nicht mehr vergleichbar mit einer konventionellen Stahlblechherstellung. Die produktionsspezifischen Investitionen verfügen über eine wesentlich schlankere Investitionsstruktur. So reduzierte beispielsweise der Wegfall einer klassischen Lackiererei und der kathodischen Tauchbadlackierung deutlich die Baukosten. Das Produktionsverfahren ist zukunftsweisend, es spart enorm Zeit und macht erst die Industrialisierung großer CFK-Verbundbauteile realistisch. Nur so ist es möglich, dass Formteile im einstelligen Minutenbereich aus dem Presswerk kommen.

Selbst komplexe Baugruppen wie zum Beispiel ein kompletter Seitentürrahmen des BMW i3 Life-Moduls verlassen die Anlage mit vielen integrierten Strukturelementen. In bester Produktqualität, tadelloser Funktionalität und mit sehr hoher Passgenauigkeit. Lediglich Feinarbeiten wie das saubere Zuschneiden der Bauteilkontur sowie das Einbringen fehlender Öffnungen sind 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 benötigt eine normale Stahlblecharchitektur wesentlich mehr Karosserieteile und wäre damit schon konstruktionsbedingt schwerer als das LifeDrive-Modul des BMW i3.

Revolution im Karosseriebau mit neuen Präzisionswerkzeugen.

BMW i3 Produktion im Werk Leipzig

Die neu produzierten CFK-Verbundbauteile aus dem neuen Presswerk Leipzig sowie angelieferte CFK-Teile aus dem Presswerk Landshut werden in der neuen Karosseriebauhalle zusammengefügt. Aus ca. 150 Teilen, das sind ein Drittel weniger als im konventionellen Stahlblechbau, entsteht hier die Grundform des Life-Moduls eines BMW i3. Es gibt keine Lärmbelästigung durch Schrauben oder Nieten, keinen Funkenflug beim Schweißen, es kommt ausschließlich modernste Klebetechnik zum Einsatz und die ist zu 100 Prozent automatisiert. Eine Technologie, die nur BMW beherrscht. In dem einzigartigen, 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. Nur diese Präzision garantiert eine perfekte Kraftübertragung zwischen den einzelnen CFK-Bauteilen und somit höchsten Qualitätsstandard in der Großserie. In der Summe ergibt sich pro Auto eine genau definierte Klebestrecke von 160 Meter Länge und 20 Millimeter Breite.

Zeitgewinn mit Sekundenkleber.

Die Herstellung von CFK-Karosseriezellen findet heutzutage gemeinhin nur für Spezialfahrzeuge, im Rennsport und für einzelne extravagante Sportwagen statt. Der Produktionsaufwand spielt bei den kleinen Stückzahlen eine eher untergeordnete Rolle. So kann die Aushärtezeit der Klebeverbindungen schon mal mehr als einen Tag dauern. Um diese Zeitspanne für die Großserienproduktion des BMW i3 zu minimieren, hat BMW den Aushärteprozess extrem beschleunigt.

So kann ein neu entwickelter Klebstoff jetzt nur noch 90 Sekunden nach dem Auftragen auf ein Bauteil bearbeitet werden, bevor er Haftung aufbaut. Nach anderthalb Stunden ist er hart. Diese Eigenschaft entspricht schon 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 werden bestimmte Heftstellen an den zu klebenden CFK-Teilen zusätzlich aufgeheizt, um den Aushärteprozess noch einmal um das 32fache zu beschleunigen.

Farbkonzepte bis sechs Tage vor Endmontage wählbar.

BMW i3 CFK-Fahrgastzelle (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 erhält 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 beim BMW i: ein geschlossener Kreislauf.

Die BMW Group hat im Laufe der BMW i Entwicklungsarbeit ein weltweit einmaliges Recyclingkonzept für CFK-Bauteile, Karosserieteile und sortenreine Produktionsabfälle bis zur Serientauglichkeit entwickelt. In verschiedenen Verfahren werden die hochwertigen Wertstoffe schon aus der Produktion und sogar von Unfall-/Altfahrzeugen im Automobilbau wiederverwertet und entweder dem Produktionsprozess erneut zugeführt oder in anderen Anwendungen eingesetzt.

Beim Wiederaufbereitungsprozess unterscheidet man zwischen Carbonfaser- Recycling mit „trockenem“, nicht verharztem Material und dem Verbundstoff- Recycling (CFK), bei dem „nasse“, schon mit Harz versetzte Kunststoffe zum Einsatz kommen. Die trockenen Carbon-Verschnittreste, die während der Produktion anfallen, können wieder zu hochwertigen Vliestextilien aufbereitet und zur Weiterverwendung in den Herstellungskreislauf eingehen. Rund zehn Prozent der beim BMW i3 eingesetzten Carbonfasermenge sind bereits heute recyceltes Material. Ein Prozess, der in der Automobilindustrie weltweit einmalig ist.

BMW i3 Produktion im Werk Leipzig

Beim Verbundstoffrecycling – also der Verarbeitung der mit Harz vernetzten Carbonfasern – wird CFK zunächst aus der Mischung mit anderen Kunststoffen großtechnisch abgetrennt und z. B. in einer Pyrolyseanlage verarbeitet. Die Prozesswärme des Harzabbaus wird 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 wird die Rücksitzbanksitzschale aus so recycelten Kohlefasern gefertigt. Sie erfüllt zu 100 Prozent die BMW Qualitätsstandards und wiegt 30 Prozent weniger als eine in konventioneller Glasfasermattenbauweise. Gemahlen oder als Kurzfaser geschnitten, kommen das recycelte CFK bzw. die Carbonfasern auch außerhalb der Autoindustrie in vielen Bereichen wieder zum Einsatz. Sie können zum Beispiel in der Textilindustrie oder in der Elektronikindustrie (Gehäusewerkstoff für Steuergeräte) eingesetzt werden. Die Verwendung der „Sekundär-CFK-Fasern“ ist Bestandteil eines nachhaltigen Werkstoffkreislaufs. So werden Ressourcen geschont und Rohstoffe für künftige Anwendungen gesichert.

Quelle: BMW Presse Mappe vom 18.04.2013

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