- Auf dem Weg zur bezahlbaren, alltagstauglichen und effizienten Elektromobilität ist die Wissenschaft stärker denn je gefordert. Für den Leiter des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden und Initiator des Dresdner Modells liegt der Schlüssel zur Innovation für die automobile Zukunft im „Funktionsintegrativen Systemleichtbau in Multi-Material-Design". Gemeinsam mit Industriepartnern arbeitet er daran, die Gewichtsspirale im Automobilbau wieder zurückzudrehen. Denn die zusätzliche Masse, die durch den Einbau von Batterien entsteht, muss durch extrem leichte und innovative Fahrzeugkomponenten kompensiert werden.
Drei Fliegen mit einer Klappe
Im Forschungsprojekt „Ineco" entwickeln die Forscher des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr. h.c. Werner A. Hufenbach gemeinsam mit Experten der Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH (LZS), Dresden, und der Thyssenkrupp Steel Europe AG, Duisburg, ein serienfähiges, generisches Ultraleichtbaufahrzeug. Das elektrisch angetriebene Kompaktfahrzeug wird inklusive Batterien weniger als 900 kg wiegen und die Vorteile des Elektroantriebs voll ausnutzen. Konzipiert wird das Leichtbau-Elektrofahrzeug für den metrourbanen Raum und ist somit besonders für Pendler und Kurzstreckenfahrer geeignet. Ineco steht für „Innovation – Electromobility – Composite".
Neuartiger, holistischer Lösungsansatz
Die Dresdner Wissenschaftler verfolgen im Ineco-Projekt einen neuartigen Lösungsansatz: Entgegen der gängigen Arbeitspraxis, nur isolierte Komponenten eines Fahrzeuges zu untersuchen und einzelne Bauteile durch leichtere zu substituieren, betrachten sie das Fahrzeugsystem gesamtheitlich. Dieser holistische Ansatz führte die Wissenschaftler zu einer innovativen, integralen Mischbauweise. Dadurch lassen sich gegenüber konventionellen Bauweisen Fertigungs- und Fügeoperationen einsparen und auch mit hochwertigen Rohstoffen Fahrzeugkomponenten kosteneffizient produzieren. Denn um die Herstellungskosten für die im Ultraleichtbau eingesetzten Faserverbundbauteile, etwa kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), auf ein Minimum zu reduzieren, liegt ein Hauptaugenmerk im Ineco-Projekt auf der effizienten, großserienfähigen Prozessgestaltung. Die Herstellungsprozesse einzelner Fahrzeugkomponenten und -systeme werden gestrafft und automatisiert.
An eigens dafür konzipierten Baugruppen-Demonstratoren wird beispielsweise das Crash- und Bremsverhalten verschiedener Werkstoffkombinationen getestet und verifiziert. In Impact-Versuchen testen die Wissenschaftler unter anderem das Energieaufnahmevermögen des Schwellers, der B-Säule und anderer hybrider Strukturen.
Stahl macht CFK gefügig
Die Forscher setzen im Ineco-Projekt verstärkt auf eine Hybridbauweise aus Hightech-Stählen und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. „Unter dem Motto ‚Stahl macht CFK gefügig' kombinieren wir die hohe Verformbarkeit von Stählen mit dem hohen Energieaufnahmevermögen von CFK, wodurch extrem leichte und dennoch crashsichere Bauteillösungen entwickelt werden können", so Prof. Hufenbach.
Mit konsequentem „Funktionsintegrativen Systemleichtbau in Multi-Material-Design" schlägt das Ineco-Team einen neuen Weg im Karosserieleichtbau ein. Das Chassis des Forschungsfahrzeuges ist mit 120 kg ein echtes Fliegengewicht. Gemeinsam mit Thyssenkrupp konnte in der Faserverbund-Stahl-Hybridbauweise ein neuer Materialmix gefunden werden.
„Das Elektroauto der Zukunft muss nicht nur leicht und leistungsstark, sondern auch bezahlbar sein" erklärt Prof. Hufenbach. „Wir haben beispielsweise die Fahrzeugbodenstruktur hoch integrativ entwickelt. Viele Funktionen, wie das Antriebssystem oder das Batteriecontainment sind in der Bodenstruktur eingebettet." So können durch Gewichtseinsparung und durch Reduzierung von Herstellungsprozessen die Kosten deutlich gesenkt werden.
Im Ineco-Projektfahrzeug werden Lithium-Ionen-Zellen zum Einsatz kommen. Das Batterie-Containment ist schwerpunktneutral und crashsicher in der Mitte des Fahrzeuges in der Bodenstruktur integriert und besitzt eine Klimatisierung, welche die Batterie immer bei „Wohlfühltemperatur" hält. Mit einer Reichweite von 100 bis 150 km weist die Batterie eine hohe Leistung bei vergleichsweise geringer Masse auf. Ihr Konzept ist flexibel und kann gleichermaßen Flach-, Rund- und Blockzellenbatterien aufnehmen.
Ein permanent erregter Synchron-Elektromotor mit Differenzialgetriebe beschleunigt das Fahrzeug von 0 auf 100 km/h in 7,4 s.
Das Auge fährt mit
Nicht zuletzt entscheidet das ästhetische Äußere über die Kunden-Akzeptanz des Elektrofahrzeuges. Im Ineco-Projekt versuchen die Wissenschaftler den Schritt weg vom „Spar-Image" eines Elektrofahrzeuges, hin zum sportlich-ökologischen Stadtauto, um Fahrspaß mit kostenattraktiven Fahrzeugbauweisen und umweltverträglicher Nutzung zu vereinen.
Bis Anfang 2013 plant das Forscherteam die Entwicklung und Prüfung der serienfähigen Einzelkomponenten abgeschlossen zu haben. Danach ist die Entwicklung eines generischen Demonstrator-Fahrzeuges geplant. Zur IAA 2013 in Frankfurt/M. soll das Fahrzeug erstmals der Öffentlichkeit präsentiert werden. Die Forscher hoffen, dass die innovativen Lösungsansätze aus dem Projekt für die Automobilindustrie generell von großem Interesse sein werden und insbesondere für die automobile Zukunft der Elektromobilität innovative Bausteine liefern werden.
TU Dresden; 0351 463-39462; E-Mail: jens.werner@ilk.mw.tu-dresden.de
Der Autor Dr.-Ing. Jens Werner ist Leiter des Ineco- Projektes und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der Technischen Universität Dresden
Kooperation mit Tradition
Die Kooperation zwischen dem Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden und dem Thyssenkrupp-Konzern besteht seit über zehn Jahren. Im Ineco-Projekt arbeiten die Forscher des ILK und des LZS mit der Thyssenkrupp Steel Europe AG zusammen. Das Unternehmen konzentriert sich auf den hochwertigen Qualitätsflachstahl. Ein Ziel ist es, Kompetenzen in der Entwicklung und Fertigung innovativer Leichtbau-Verbundwerkstoffe für den Automobilbau aufzubauen.
Basisdaten Ineco
· Fahrzeugklasse: Sportliches Leichtbau-Elektro-Fahrzeug der Kompaktklasse für den metrourbanen Raum, 4-Sitzer, 3-Türer
· Gesamtgewicht: <900 kg (Chassismasse rund 120 kg)
· Chassis/Karosserie: hochintegrierte Bauteile aus Cfk mit Stahlarmierung; selbsttragende Bodengruppe mit Batteriemitteltunnel; crashoptimierte Cfk-Längsträger
· Motor: Synchron-Elektromotor mit Differentialgetriebe (120 kW/720 Nm Peak beziehungsweise 60 kW/240 Nm Dauer)
· Batterietechnik: variabel bestückbarer Batterietunnel (Rund-, Flach- oder Blockzellen) mit integrierter Klimatisierung (Heizung und Kühlung)
· Projektpartner: Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden; Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH (Projektleiter: Dr.-Ing. Jens Werner); ThyssenKrupp Steel Europe AG
· Zusammenarbeit mit: Poschwatta Automotive Design, Dekra, Carbofibretec
· Gefördert aus Mitteln der Europäischen Union – Europäischer Fond für regionale Entwicklung (EFRE) – und des Freistaates Sachsen
Leichtbaulösungen aus einer Hand
Am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik werden auf dem Gebiet des ressourcenschonenden Leichtbaus hoher Material- und Energieeffizienz umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt. Seit der Gründung des ILK im Jahr 1994 wird das von seinem Direktor, Prof. Hufenbach, entwickelte Dresdner Modell eines „ Funktionsintegrativen Systemleichtbaus in Multi-Material-Design" verfolgt und technologisch umgesetzt.
Dabei wird ein werkstoff- und produktübergreifender Ansatz zu Grunde gelegt, das heißt die gesamte Entwicklungskette Werkstoff – Konstruktion – Simulation – Fertigung – Bauteil – Qualitätssicherung – Kosten wird erfasst. Für durchgängige und branchenübergreifende Leichtbausystemlösungen steht ein interdisziplinäres Team von mehr als 240 Mitarbeitern zur Verfügung.
Die Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH ist ein Tochterunternehmen der Technischen Universität Dresden AG (TUDAG) und fungiert als Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Industrie, um wissenschaftliche Erkenntnisse schnell und effizient in die Wirtschaft zu transferieren. Neben dem Automobilbereich entwickeln die Wissenschaftler des ILK und des LZS auch Innovationen für die Luft- und Raumfahrt sowie den Maschinen- und Schiffsbau.
