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Wissenschaftstag 2014 Potentiale der Hybridbauweisen | 02.10.2014 Konzernforschung Volkswagen AG | Werkstoffe und Fertigungsverfahren | Dr. Armin Plath Potentiale für automobile Fahrzeugstrukturen in hybriden Bauweisen

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Wissenschaftstag 2014 – Potentiale der Hybridbauweisen | 02.10.2014

Konzernforschung Volkswagen AG | Werkstoffe und Fertigungsverfahren | Dr. Armin Plath

Potentiale für automobile Fahrzeugstrukturen

in hybriden Bauweisen

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Volkswagen Konzern: 12 Marken, > 310 Modelle

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Produktionsstandorte im Konzern

Standorte

Fahrzeuge 61

Motoren 12

Getriebe 10

Komponenten 23

106

Mitarbeiter: rund 570.000 Stand 31.12.2013

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Herausforderungen der Marke Volkswagen

CO2 Innovationen Bezahlbare

Produkte

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Das 3-Liter Auto: Lupo 3L

1999 2,99l/100km 79gCO2/km

Verbrauchs-Leader

Golf Bluemotion

2012 3,2l/100km 85gCO2/km

e-up!

2013 11,7 kWh/100km

XL1

2014 0,9l/100km 21gCO2/km

e-Golf

2014 12,7 kWh/100km

Golf GTE, Plug-In-Hybrid

2014 1,5l/100km 35gCO2/km

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Overview

1. Rahmenbedingungen (CO2 Gesetzgebung)

2. Fahrzeuggewicht – ein Faktor in der CO2

Emissionsreduzierung

3. Bauteile aus hybriden Werkstoffkombinationen –

ein Weg zu neuen Leichtbaulösungen

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Rahmenbedingungen (CO2 Gesetzgebung)

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Auftrag CO2-Reduzierung durch Gesetzgeber

-123g

CO2/km

20g CO2/km

Deutschland 2010

Deutschland 2050 2)

143g CO2/km 120g CO2/km 95g CO2/km

Deutschland 2015

Deutschland 2020

1) Quelle: McKinsey & Company, Ministry of Environment

2) Memorandum of Understanding, e.g. EU- and G8+5-Staates, Part of Copenhagen Accord 2009

Emmissionen und

ihre Verursacher Treibhausgasemission

in Deutschland pro Pkw 1)

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CO2-Verbrauchsgesetzgebungen

sind marktspezifisch und in der

Ausgestaltung sehr inhomogen!

In allen Märkten ist CO2 ein zentrales Thema

CO2- gesetzliche Zielwerte gesamte Automobilindustrie

China USA Europa

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Konventionelle Antriebstechnologien reichen nicht mehr aus!

Technologien und Energieträger [Zeit]

CO2-Emissionen

Flotte [CO2/km] 166 g

EU27

Flottenwert 2006

Batteriefahrzeug

Plug-In Hybrid

e-Gas

Brennstoffzelle

Effizienztechnologien

Optimierung

konventioneller Aggregate

Fahrzeugmaßnahmen

Einsatz

alternativer Antriebe

PHEV

+ +

~ 95 g EU27

Flottenwert 2020

134 g Flottenergebnis

2012

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Fahrzeuggewicht – ein Faktor in der CO2

Emissionsreduzierung

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Antrieb

Rollwiderstand

Aerodynamik

Leichtbau: Stellgrößen zur CO2-Reduktion

* 2% Sonstiges, z.B. Restbremsmomente

Gewicht

41%

24%

18%

15%

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CO2-Emissionsreduzierung bei 100 kg Gewichtsreduzierung

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Gewichtsreduzierung ohne Fahrleistungskompensation

+ Agilität und Fahrvergnügen

CO

2-E

mis

sio

ns

red

uzie

run

g [

gC

O2/k

m]

Gewichtsreduzierung mit Fahrleistungskompensation

über Motor + Getriebe

8,5

gCO2/km

3,5

gCO2/km

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Leichtbau: Herausforderung im Aufbau

Golf 7 – Technologie ausrollen

Warmumformung

Tailor Rolled Blanks

Geometrischer Leichtbau

Thermoschaum-Spritzguss

- 37 kg

Heute

Morgen

95 g CO2/km

- 100 kg / Fzg.

Ziel 2020

- 3,5 gCO2/km

Golf Sportsvan Touran

Passat Tiguan

√ Jeder Aufbau: > 50 kg

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höchstfest

warm umgeformt

Heute Zukunft

Aluminium

Alternative

Werkstoffe

Stahl

Werkstoffe in der Karosserie

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Alternative Werkstoffe und Aluminium

Sandwich-Bleche

z.B. Leichtblech

Leichtmetalle

z.B. Aluminium

Faserverbund-Kunststoff

Endlosfaserverstärkte Kunststoffe

mit Glas- und Carbonfaser

Optimierte Kunststoffe

Geometrie, Fertigung, Material

Aluminium

Alternative

Werkstoffe

Gewichtsreduktion im Aufbau > 50 kg

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Bauteile aus hybriden Werkstoffkombinationen –

ein Weg zu neuen Leichtlösungen

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Kleine bis mittlere Stückzahlen Kleinststückzahlen Großserie

Ze

it

Stückzahl

Hybride

Leichtbaustrukturen

Multi-

Materialmix

heute

Carbon-

faser-

verstärkte

Kunst-

stoffe

Aluminium

Faser-

Verbundkunststoffe

(FVK) für mittlere

Stückzahlen

Aluminium/ Stahl

Optimierter

Aluminium/Stahl-Mischbau

Funktionale

Hybrid-

strukturen

Stahl

Quelle: SLC

Gewichts-

optimierter

Leichtbau

für die

Großserie

Quelle: Volkswagen AG

Leichtbau und Funktionsintegration durch Hybridisierung Werkstoffliche Leichtbau-Konzepte für die Zukunft

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CFK

Aluminium

multi axiale Lasten

teilweise orientierte Lasten

stark orientierte Lasten

Aluminium

Einsatz von lastpfadoptimierten Hybridstrukturen

Desig

n G

ew

icht

Kosten der Struktur

CFK

• Hohe Lasten separieren

• C-Fasern in Belastungsrichtung orientieren

• Multimaterialmix

So viel C-Faser wie erforderlich – So wenig C-Faser einsetzen wie möglich

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Audi R8 e-tron

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22 Dr. Armin Plath | Konzernforschung Volkswagen AG Wissenschaftstag 2014 – Potentiale der Hybridbauweisen | 02.10.2014

Multi-Material-Batterieträger

im Audi R8 e-tron

• Einsatz der Leichtbauwerkstoffe mit dem Ziel:

„Der richtige Werkstoff am richtigen Platz“

• Aluminium-Space-Frame in

Karosseriestruktur des Audi R8 e-tron

• CFK-Leichtbau-Paket in Bereichen gerichteter

Lasten

• CFK-GFK-Aluminium-Batterieträger-Adapter

in Thermoplast-Bauweise

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Batterieträger-Adapter –

Ausgangspunkt duromeres CFK-Bauteil

Start: Differential-Bauweise Batterieträger-Adapter aus Pprepreg-

Einzelbauteilen

Endversion: Integralbauweise Batterieträger, zweischalig mit Sandwichkern

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Batterieträger-Adapter – thermoplastgerechte Bauweise

Bauteilanforderungen

Rippenstruktur und metal. Inserts Unterschale Oberschale

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Kurz-Glasfaser/PA6-Rippen (Spritzguss):

Struktursteifigkeit, Lastübertragung in

Dickenrichtung Unterschale (CF/PA6-Organoblech)

Oberschale

(CF/PA6-Organoblech)

Endversion- Batterieträger-Adapter in thermoplastischer

Faserverbund-Hybrid-Bauweise

Al-Inserts

(Lasteinleitung)

Einbau Batterieträger-Adapter in

Fahrzeugrückwand

Kurz-Glasfaser/PA6-

Spritzguss-Ummantelung

der Al-Inserts

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Batterieträger-Adapter – Verkettete Fertigungstechnologie

Spritzguss-Prozess

Spiegel-Schweiß-

Prozess

Ogranobleche CF/PA6

PA6 Granulat +

Al-Inserts

Organoblech-

Umformung Infrarot-Heizung

•in Kooperation mit TU Chemnitz, SLK

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Spritzgusseinheit 1,

800 cm³ Injektionsvolumen

Schließeinheit 2,

400t Klemmkraft

Schließeinheit 1,

100t Klemmkraft

Rundtisch-Einheit

Vorheizstation

(IR-Strahler und/oder

Umluft)

Spritzguss-Einheit 2,

150 cm³ Injektionsvolumen

Prozess-Entwicklung – industrielle Umsetzung

Spiegel-Schweißen und

Entnahme

Wiederaufheizstation

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Virtuelle Prozessentwicklung –

Organoblech- Drapiersimulation

+ Kürzere

Anfahrzeiten

+ Optimierte

Werkzeuge

+ Angepasste

Werkstoffkennwerte

für die Simulation

Prozesssimulation Prozessoptimierung

Realer Drapier-Prozess Versuche (trial and error)

- Hohe

Materialkosten

- Zeitaufwändig

- Schwer planbar

Komplexer

Faser-

verbund

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Simulation

3,2°

3,2°

28°

25,8°

Werkstoffspezifisches Verhalten endlosfaserverstärkter Thermoplast-Verbund (Gewebe) gut berechenbar

(Falten und Scherwinkel)

Werkstoff-angepasste Methode für Werkstoff-Charakterisierung und Drapiersimulation

Gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation

α

γ/2

6,5°

4,3°

Messbereich

Drapiersimulation

Experiment

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Discrete Dislocation Dynamics

Finite

Element

Method

Quasi-Continuum

Method

Phasefield Method

Monte-Carlo

Method

Molecular Dynamics

Finite

Volume

Method

Finite

Difference

Method

Quantum Mechanics

Cellular Automation

Fast Fourier

Transfor- mation

Discrete

Element

Method

pm nm µm mm m

Produkt Entwicklung Methoden um das Werkstoffverhalten zu berechnen

Dabei müssen 12 Größenordnungen beschrieben werden. ! ! K-EFW/S – Dr. Joechen

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Product development

Massively Parallel Computing Massively Parallel Experimenting

Source: IBM Source: Zwick

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Wissenschaftstag 2014 – Potentiale der Hybridbauweisen | 02.10.2014

Konzernforschung Volkswagen AG | Werkstoffe und Fertigungsverfahren | Dr. Olaf Täger

Vielen Dank.