- Leseprobe - 
  
Internationale Technologie-Kooperation: Die Entwicklung der Spaceframe-Karosserie des Audi Modells A8 aus Aluminium
von Eric Pfaffmann

Die länderübergreifende Kooperation der Audi AG und der Aluminium Company of America (Alcoa) in Sachen Spaceframe-Karosserie hatte eine Vorreiterfunktion beim Einsatz von Aluminium im Karosseriebau. Neue Verfahren und Werkstoffe mußten erprobt, Grenzen ausgelotet, Fertigungsverfahren und Karosseriestrukturen neu definiert werden. Der Autor zeichnet das Pilotprojekt von der Planung bis zum erfolgreichen Ergebnis in all seinen organisatorischen und technischen Aspekten nach.
 

Stichworte: Hintergrund des Spaceframe-Projektes: Zielsetzungen, Leichtbau-Potenziale mit Aluminium, Einsatz von Aluminium in der Fahrzeugkarosserie, (Außer-) vertragliche Vereinbarungen und technische Baustruktur: Charakteristika der Spaceframe-Karosserie, Spezifika der Herstellungs- und Verbindungstechnik, Die Kooperation während des Entwicklungsprozesses: Überblick, Phase der Vorentwicklung, Konzept- und Serienentwicklung, Herstellungsprozess, Fazit: Bedeutung und Problemfelder, Zusammenfassung.

Hintergrund des Spaceframe-Projektes

Im Spätjahr 1981 beschlossen die Aluminum Company of America (Alcoa) und die Audi AG im Rahmen eines Arbeitstreffens, gemeinsam die Voraussetzungen für die Entwicklung einer hundertprozentigen Aluminiumkarosserie zu schaffen. An dem Treffen nahm auch Dr. Ferdinand Piëch teil, damals Vorstand »Technische Entwicklung« bei der Audi AG. Das Ziel von Dr. Piëch war es, einen metallurgischen und konstruktiven Quantensprung zu vollziehen, der Audi aus der stetig wachsenden Gewichtsspirale bei Pkw befreien konnte [4]. Dem Meeting gingen einige Begegnungen von Alcoa und Audi sowohl in Pittsburgh, Pennsylvania, dem Stammsitz und Technischem Zentrum von Alcoa, als auch in Ingolstadt, dem Stammsitz und Sitz der Vorentwicklung von Audi voraus. Bei den ersten Begegnungen wurden bereits grundsätzliche, gegenseitige Übereinkommen erzielt.

Beginn und Zielsetzungen im Spaceframe-Projekt

Der erste Kontakt zwischen Audi und Alcoa fand im Juni 1981 statt, als eine Delegation von Audi dem Unternehmen Alcoa in Pittsburgh ein Besuch abstattete. Angestoßen durch Dr. Piëch war Audi auf der Suche nach Möglichkeiten, wie mit der Verwendung des Werkstoffs Aluminium im Karosseriebau eine signifikante Gewichtseinsparung bei Pkw erzielt werden konnte. Nach Auffassung von Audi war diese Gewichtseinsparung die Voraussetzung, um auch zukünftig große und luxuriöse Automobile vermarkten zu können, die sowohl ökonomische als auch ökologische Gesichtspunkte berücksichtigen. Außerdem wurde bereits damals bei Audi das »Drei-Liter-Auto« thematisiert, wenngleich auch nur als Konzeptstudie, bei der eruiert wurde, welche Charakteristika hinsichtlich Design, Gewicht und Motorisierung ein solches Fahrzeug aufzuweisen hat.
Bereits Ende der 70er Jahre suchte Alcoa als weltweit größter Aluminiumhersteller neue Märkte für das Leichtmetall. Das Unternehmen hatte bis dahin erste Erfahrungen mit der Automobilindustrie als Lieferant von Aluminiumblechen für die Karosseriebeplankung sowie von Aluminiumbarren für den Guss von Zylinderköpfen, Motorblöcken und sonstigen Gussteilen gesammelt [7]. Alcoa war daran interessiert, den Aluminiumabsatz zu erhöhen und hatte erkannt, dass der Einsatz von Aluminium in der Automobilindustrie nur dann signifikant erhöht werden kann, wenn Aluminium als Werkstoff für strukturelle Bauteile eingesetzt wird, die bis dahin ausschließlich dem Werkstoff Stahl vorbehalten waren. Strukturelle Teile, die einen umfangreichen, mengenmäßigen Einsatz von Aluminium erlauben, beziehen sich bei einem Pkw unter anderem auf die Karosserie. Für das Ziel, im großen Stil als Aluminiumzulieferer in die Automobilindustrie einzusteigen, war es unerlässlich, in den Aufbau von metallurgischem und konstruktivem Wissen zu investieren, und Alcoa war bereit, für dieses Ziel, finanzielle und personelle Ressourcen sowie viel Zeit bereitzustellen. Zu dieser Zeit war Alcoa der einzige Aluminiumhersteller mit der Strategie, Aluminiumkarosserien für Automobile zu bauen und das notwendige Wissen dafür zu entwickeln.
Bevor Alcoa sich auf die Suche nach Kooperationspartnern machte, hatte das Unternehmen bereits in seinem technischen Zentrum eine Studie zum Einsatz von Aluminium in strukturellen Fahrzeugteilen anhand des Oldsmobile Omega von General Motors ausgearbeitet. Im Anschluss an diese Vorarbeiten führte Alcoa Gespräche mit den drei großen amerikanischen Automobilherstellern, deren Resonanz jedoch außerordentlich enttäuschend war. David W. Schlendorf, Leiter der Produkt- und Marktentwicklung von Alcoas Automobilsparte, führte hierzu aus:
»In einem Land, in dem der Treibstoff derartig billig ist und in dem bereits ein schlichter, millionenfach gebauter ‘Chevrolet Caprice Classic’ rund 1,6 Tonnen wog, interessierte sich niemand für ein derartig teures und exotisches Material wie Aluminium. Die amerikanischen Automobilhersteller waren auf dieses Material nicht vorbereitet - und sie sind es als Massenproduzenten bis heute nicht.« [7]
Nach den ersten Gesprächen im Juni 1981 trafen sich die Vertreter von Audi und Alcoa bereits im September des gleichen Jahres auf der Internationalen Automobilausstellung in Frankfurt am Main wieder und vereinbarten ein Arbeitstreffen für das Spätjahr in Ingolstadt. Es bestand ein Konsens darüber, dass weder Audi noch Alcoa im Alleingang in der Lage wären, die notwendigen Arbeiten zum Wissensaufbau für die Herstellung einer Aluminiumkarosserie durchzuführen. Audi fehlten die metallurgischen Kenntnisse und Erfahrungen über den Werkstoff Aluminium. Alcoas Element war zwar der Werkstoff Aluminium, gleichzeitig verfügte das Unternehmen aber nicht über die erforderlichen konstruktiven Kenntnisse und Erfahrungen beim Einsatz von Aluminium in einer Fahrzeugkarosserie. Vielmehr war klar, dass allein durch die Einrichtung von Arbeitsgruppen auf Seiten von Audi und Alcoa sowie die gemeinsame Arbeit an dem Aufbau metallurgischen und konstruktiven Wissens in absehbarer Zeit eine Karosserie aus Aluminium entwickelt werden konnte. Die Unternehmen erkannten, dass eine Symbiose von innovativem Automobil-Know-how und umfangreichem F&E-Know-how in der Anwendung des Werkstoffs Aluminium das Fundament einer erstmals praktizierten Entwicklungspartnerschaft dieser Dimension bildete.
Gegenstand des Ingolstädter Treffens im Spätjahr 1981 war es denn auch, die Omega-Studie zu präsentieren und gemeinsam über die technischen Aspekte beim Einsatz von Aluminium in strukturellen Fahrzeugkomponenten zu diskutieren. Alcoa fuhr mit einer Gruppe von Marketing-Mitarbeitern und Ingenieuren aus den Bereichen Werkstoffstruktur, Verbindungs- und Formtechnik nach Ingolstadt. Als Ergebnis wurde eine grundsätzliche Absichtserklärung zwischen Audi und Alcoa unterzeichnet und vereinbart, zunächst eine Blechkarosserie aus Aluminium zu entwickeln, die analog zu einer konventionellen Stahlkarosserie aus einzelnen Blechen zusammengeschweißt und selbsttragend war. Außerdem war eine Geheimhaltungsklausel Bestandteil der Vereinbarung, in der Alcoa sich verpflichtete, keine Informationen aus der Kooperation mit Audi an Dritte weiterzugeben. Die Geheimhaltung ging so weit, dass selbst Informationen über die Existenz einer Kooperation zwischen beiden Unternehmen über lange Zeit geheim gehalten wurden.
Nach dem Ingolstädter Treffen ging Audi unter der Leitung von Heinrich Timm - damals Leiter »Konzept Grundlagen« - in Klausur, überprüfte die Ergebnisse der Omega-Studie und formulierte Ziele, die mit einem Einsatz von Aluminium in der Fahrzeugkarosserie erreicht werden mussten. Eine Aluminiumkarosserie hatte nur dann eine Erfolgschance, wenn das vollständige Potenzial des Werkstoffs Aluminium ausgeschöpft und dabei mindestens 30 Prozent der Einzelteile eingespart werden konnten. Letzteres war als eine Sekundärmaßnahme erforderlich, um den Einsatz des teureren Werkstoffs zu rechtfertigen. Die neuartige Kombination aus Komponentenreduktion und werkstoffgerechtem Einsatz nahm das Konzept des späteren Spaceframe bereits vorweg. Der konzeptionelle Ansatz wurde zunächst »Audi-Alcoa Body Concept« getauft und erst wesentlich später in »Audi Spaceframe« umbenannt.
Im Frühsommer 1982 hatte Dr. Piëch dem von Heinrich Timm eingeschlagenen Weg zugestimmt und eine Delegation des Unternehmens fuhr zu dem entscheidenden Meeting nach Pittsburgh. Neben der Notwendigkeit, erhebliche Ressourcen für ein solches Projekt bereitzustellen, setzten die extrem anspruchsvollen Ziele die Bereitschaft voraus, in allen metallurgischen und konstruktiven Bereichen Neuland zu betreten und Grenzbereiche auszuloten. Heinrich Timm erläuterte:
»Die Antwort des Metallurgen von Alcoa war wiederholt ‚It’s impossible‘. Das ging so weit, dass er irgendwann wütend das Meeting verließ. Dann haben wir uns an den Vorstand von Alcoa gewandt und gefragt, ob sie denn noch Interesse hätten, den Weg gemeinsam zu beschreiten oder ob wir jetzt abreisen können. Nach einer kurzen Wartezeit haben wir die verbindliche Antwort erhalten: ‚Wir sind bereit, wir nehmen die Herausforderung an.«
Daraufhin wurde ein Entwicklungsvertrag abgeschlossen, der im Prinzip eine erneuerte und konkretisierte Absichtserklärung darstellte. Das war der Beginn einer langen und partnerschaftlichen Zusammenarbeit. Ab diesem Zeitpunkt wurde ein Projektteam aus zirka 20 Mitarbeitern aufgestellt, das etwa je zur Hälfte von Audi- und Alcoa-Mitarbeitern besetzt war. Neben dem Kernteam wurden bei Bedarf Fachabteilungen bei Audi und Alcoa zur Lösung spezieller Fragestellungen hinzugezogen. Aber erst sieben Jahre später - Anfang 1989 - sollte die Entscheidung fallen, die neue Spaceframe-Technologie in einem Fahrzeug der Audi-Oberklasse, dem neuen Audi A8, in Serie zu bringen.

Zielsetzungen und Potenziale des Leichtbaus mit Aluminium

Ende der 70er Jahre zeichnete sich ab, was treffend unter dem Schlagwort »Gewichtsspirale« zusammengefasst werden kann. Damit gemeint war die scheinbar unausweichliche Gewichtszunahme bei Fahrzeugen über sämtliche Pkw-Klassen hinweg. Diese Gewichtszunahme wurde durch erhöhte Anforderungen an Sicherheit, Komfort, Fahrleistungen und Universalität des Fahrzeuges angetrieben, die eine Anpassung der Motorisierung, des Fahrwerks, der Fahrzeuggröße, des Tankvolumens und der Karosseriesteifigkeit erforderlich machten [9]. Neben den steigenden Ansprüchen an Sicherheit und Komfort trug auch maßgeblich eine verbesserte Korrosionsschutzvorsorge dazu bei, dass jede neue Modellgeneration schwerer wurde.
Das zunehmende Fahrzeuggewicht wurde von einem steigenden Energieverbrauch begleitet, der im Widerspruch zu verschärften Verbrauchszielen und Abgasvorschriften stand. Der Energieverbrauch eines Fahrzeugs resultiert aus einer Kombination von Wirkungsgrad und Fahrwiderstand über die Fahrstrecke hinweg. Auf den Fahrwiderstand wirkt zu 70 bis 80 Prozent die Masse eines Fahrzeuges ein [9]. Die Fahrzeugmasse war deshalb der maßgebliche Ansatzpunkt, um eine nachhaltige Verbrauchsreduzierung erzielen zu können. Eine Verringerung der Fahrzeugmasse war aber nicht nur für die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs von zentraler Bedeutung, sondern ebenfalls für die Reduzierung von Emissionen sowie des Energieverbrauchs bei der Herstellung des eingesetzten Materials.

Das größte Potenzial, die Masse nachhaltig zu reduzieren, lag in der Karosserie, die bis zu einem Drittel des Fahrzeuggewichtes ausmachte. Dies war nicht nur wegen der Primärgewichtseinsparung der Fall, die durch den Einsatz von Leichtbaumaterialien bei der Karosserie erreichbar war, sondern lag auch an den Sekundärgewichtseinsparungen, die dabei realisiert werden konnten. Unter Sekundärgewichtseinsparungen ist das Potenzial zur Realisierung von Gewichtseinsparungen bei anderen Fahrzeugkomponenten - wie zum Beispiel Motor und Getriebe, Fahrwerk, Räder und Bereifung, Tankvolumen und Fahrzeuggröße - zu verstehen. Eine signifikant leichtere Karosserie erlaubt es beispielsweise, die Motorisierung unter Beibehaltung der gleichen Leistung zu reduzieren. Die geringere Motorleistung kann dann auch mit einem kleineren und leichteren Motor erzielt werden. Alles in allem waren bei angepasster Motor- und Getriebeauslegung bei 10 Prozent Gewichtsdifferenz zirka 7 Prozent Verbrauchsdifferenz erreichbar [9].
Der wichtigste Baustein zur Gewichtsreduzierung von Fahrzeugkomponenten war der Einsatz des Leichtbauwerkstoffs Aluminium, mit dessen Verwendung der bisherige Werkstoff Stahl ersetzt wurde. (Stahl und Aluminium gehören zu den wichtigsten Metallen im Fahrzeugbau. Metalle spielen in der industriellen Anwendung aus mehreren Gründen eine herausragende Rolle. Neben etablierten Fertigungs- und Verarbeitungs- sowie Reparaturverfahren und einer hohen Rezyklierbarkeit, besitzen sie eine sehr gute Formbarkeit, Leitfähigkeit und die Eignung zur gezielten Einstellung von Eigenschaftskombinationen durch Legierung [5].) Die Eigenschaften des Werkstoffs Aluminium boten die Chance, den Zielkonflikt zwischen hohen Komfort-, Steifigkeits- und Sicherheitsanforderungen und gleichzeitig beachtlicher Gewichtsreduzierung zu erfüllen. Aluminium ist ein Metall, das lediglich ein Drittel der Dichte von Stahl aufweist. Aluminium wird aus Bauxit synthetisiert, dessen Quellen seit langem gesichert sind. Das Metall zeichnet sich vor allem durch günstige mechanische Eigenschaften, sehr gute chemische Beständigkeit, gute Leitfähigkeit für Wärme und elektrischen Strom sowie hervorragende Verformung aus [5].
Mitte der 90er Jahre wurden etwa 355.000 Tonnen Aluminium pro Jahr in Pkws verarbeitet. Der bei weitem wichtigste Werkstoff war nach wie vor Stahl: im Durchschnitt bestanden lediglich 5 Prozent eines Automobils aus Aluminium (siehe Abbildung 1) [1]. Die Ursache dafür, dass durchschnittlich auch nur 9 kg des Werkstoffs auf die Karosserie entfielen, lag darin begründet, dass eine umfangreichere Substitution von Stahl durch Aluminium erhebliche Investitionen in die Metallurgie und Herstellungsverfahren erforderten. Ein Automobilhersteller, der die Potenziale des Leichtbaus mit dem Werkstoff Aluminium ausschöpfen wollte, musste also vorher erhebliche Investitionen in den Aufbau von metallurgischem und konstruktivem Wissen tätigen, um einen umfangreichen Aluminiumeinsatz in der Karosserie realisieren zu können.

Der Einsatz von Aluminium in der Fahrzeugkarosserie

Fahrzeugkarosserien sind raumumschließende Tragstrukturen, die vielfältigen technischen Anforderungen zu genügen haben [4]. Grundanforderungen an jede Karosserie sind, die Betriebslasten aufzunehmen und dabei die zulässigen Spannungen und elastischen Verformungen nicht zu überschreiten. Darüber hinaus hat eine Fahrzeugkarosserie weitere Anforderungen zu erfüllen, die zum Teil auch durch den Gesetzgeber vorgegeben sind. Der Schutz der Insassen verlangt beispielsweise eine stabil gestaltete Fahrgastzelle, die bei einem Unfall den Überlebensraum sichert. Eine stabile Fahrgastzelle wird hauptsächlich durch einen beul- und bruchresistenten Aufbau der Seitenwände erreicht, weil es in diesem Bereich kein vorgelagertes Strukturvolumen gibt, das bei einer Überlastung zuerst zusammenbricht und dadurch einen großen Teil der Stoßenergie vernichtet. Eine weitere Anforderung ist die ausreichende statische Torsionssteifigkeit. Die statische Torsionssteifigkeit ist ein Maß für Fahrkomfort und Geradeauslauf. Eine bessere Torsionssteifigkeit geht zum Beispiel mit einem besseren Ansprechen des Fahrzeugs und einer höheren Kursstabilität bei Lenk- und Ausweichmanövern einher. Damit wird nicht nur der Fahrkomfort erhöht, sondern vor allem auch die Fahrsicherheit in Grenzsituationen. (Weitere Anforderungen sind zum Beispiel die Minimierung von kleineren Unfallschäden, um die Reparaturkosten einzugrenzen. Außerdem benötigt eine Karosserie als Ganzes genügend hohe Eigenfrequenzen. Dies ist erforderlich, um einen ausreichenden Abstand zu den in der Höhe nicht beeinflussbaren Anregungsfrequenzen der Komponenten - wie zum Beispiel des Motors oder des Antriebsstrangs - zu halten. Hohe Eigenfrequenzen sind eine Voraussetzung für einen niedrigen Innengeräuschpegel beziehungsweise für ein Minimum an zusätzlichen Schalldämmmaßnahmen. Eine Karosseriestruktur muss darüber hinaus auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit haben. Weiterhin ist eine Karosserie die stabile Grundlage für alle anderen Fahrzeugkomponenten. Schließlich sind Anforderungen hinsichtlich Design, Geräumigkeit, Reparierbarkeit und auch Rezyklierbarkeit zu erfüllen [4].)

Abb. 1: Durchschnittlicher Werkstoffeinsatz und durchschnittliche Verwendung von 65 kg Aluminium in Fahrzeugen im Jahre 1995

Obwohl der Werkstoff Aluminium dem Anforderungsbündel bei Fahrzeugkarosserien sehr entgegen kam, beschränkte sich seine Verwendung vorwiegend auf sogenannte »Hang on«-Teile, wie Motorhaube, Kofferraumdeckel, Kotflügel und Türen [11]. Während mit »Hang on«-Teilen keine Sekundärgewichtspotenziale erzielt werden konnten, ließ sich dagegen durch einen werkstoffgerechten Einsatz von Aluminium in einer Karosserie eine umfangreiche (Primär- und Sekundär-) Gewichtsreduzierung mit gleichzeitig hohen Steifigkeits-, Komfort- und Sicherheitsanforderungen realisieren.
Die prozentuale Gewichtseinsparung an einer Aluminiumkarosserie ist von den Merkmalen des Werkstoffs und den Konstruktionsmerkmalen der Aluminiumkarosserie abhängig. Bei der Aluminiumkarosserie des A8 kamen neben den Aluminiumblechen vor allem auch Strangpressprofile und Gussknoten als Aluminiumkomponenten zum Einsatz. Die Festigkeit von warmausgehärteten Aluminiumblechen und Strangpressprofilen liegt mit den Festigkeitswerten von Stahl-Tiefziehblechen in vergleichbarer Höhe. Allerdings ist der Elastizitätsmodul von Aluminium, der die Steigung der Geraden im Kraft-Dehnungs-Diagramm angibt, um etwa zwei Drittel niedriger als der Elastizitätsmodul von Stahl. (Der niedrigere E-Modul im elastischen Bereich - nicht im plastischen Bereich - besagt, dass Aluminium im Vergleich zu Stahl elastischer und dadurch die Steifigkeit tendenziell geringer ist.) Zur Erzielung der gleichen Beulsteifigkeit bei steifigkeitsrelevanten Aluminiumbauteilen musste deshalb bei der A8-Karosserie der geringere Elastiziätsmodul durch eine günstigere Geometriegestaltung und eine um den Faktor 1,44 höhere Wandstärke kompensiert werden. Eine vergleichbare Streckgrenze wie bei Stahl-Tiefziehblechen und die größeren Wandstärken verliehen der Aluminiumkarosserie insgesamt eine höhere Strukturfestigkeit [6].
Die variablen Komponenten der A8-Karosserie ermöglichten eine werkstoff- und beanspruchungsgerechte Materialnutzung. Aluminium ist durch Umformtechniken - wie Walzen, Schmieden, Gießen, Kalt- und Warmpressen - vergleichsweise leicht formbar. Ein effizienter Materialeinsatz in der A8-Karosserie wurde dabei auch durch variable Wandstärkenverteilungen erreicht. Bei den Gussteilen und Strangpressprofilen wurde eine hohe geometrische und funktionale Integration erzielt. Die Gestaltungsfreiheit von Gussteilen gestattete zudem auch die Optimierung der Steifigkeit in den Karosserieknoten. Die Torsionssteifigkeit der Karosserie konnte um bis zu 20 Prozent erhöht werden [9].

Abb. 2: Vergleich der Steifigkeit und des Gewichts beim Einsatz von Stahl und Aluminium in der Fahrzeugkarosserie [11]

Abbildung 2 vergleicht die Werkstoffe Stahl und Aluminium hinsichtlich der Steifigkeit und des Gewichts bei ihrer Verwendung in der Fahrzeugkarosserie. Entsprechend des Dichtigkeitsverhältnisses von Stahl und Aluminium ergibt eine reine Substitution von Stahl durch Aluminium eine maximale Gewichtseinsparung von 67 Prozent. Die Versuche von Audi und Alcoa legten offen, dass diese Substitution allerdings nicht zu einer funktionstüchtigen Karosserie führte, weil gleichzeitig auch die Steifigkeit um mehr als 50 Prozent abnahm. Mit einer Gewichtseinsparung von maximal 40 Prozent konnte aber bei der Spaceframe-Karosserie durch eine konsequente, werkstoffgerechte Konstruktion das Steifigkeitsniveau von modernen, selbsttragenden Stahlblechkarosserien überboten werden [6; 9; 11].
Abbildung 3 verdeutlicht in alternativer Darstellung den Vergleich von Stahl und Aluminium als Werkstoff im Karosseriebau. Die Kurve zeigt das Gewicht von modernen Stahlkarosserie-Rohbauten in Abhängigkeit von der Fahrzeuglänge. Die Karosserielänge des Spaceframe-Rohbaus beim A8 betrug 5,03 Meter und ist durch den Punkt in der Abbildung markiert. Dieses Gewicht liegt zirka 40 Prozent unter dem darüber befindlichen Stahlrohbau. Aus dem Kurvenverlauf wird ersichtlich, dass erst Stahlkarosserie-Rohbauten von Kompaktfahrzeugen mit einer Gesamtlänge um und unter 4 Meter, wie zum Beispiel der VW Golf oder die A-Klasse von Mercedes-Benz mit der Spaceframe-Karosserie des A8 gewichtsgleich waren [6].

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