DE4409466A1

DE4409466A1 - Fahrzeugkarosserie

Info

Publication number: DE4409466A1
Application number: DE4409466A
Authority: DE
Inventors: Martin Strobel
Original assignee: STROBEL MARTIN DIPL DESIGNER
Current assignee: STROBEL MARTIN DIPL DESIGNER
Priority date: 1993-03-20
Filing date: 1994-03-19
Publication date: 1994-10-06

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugkarosserie in Schichtenverbund bauweise und das Verfahren zu ihrer Herstellung.

Stand der Technik

Selbsttragende Fahrzeugkarosserien im PKW-Bau werden heute aus umgeformten Stahlblechen in einer doppelschaligen Bauweise hergestellt, wobei die außenliegenden Blechformteile mit innenlie genden Verstärkungsteilen, die wiederum Blechformteile sind, in einer Punktschweißmontage verbunden werden. Diese selbsttra genden Karosserien des Standes der Technik beziehen ihre Festig keit größtenteils aus den Formquerschnitten der Blechformteile. Auf Verstärkungen in der Art traditioneller, aus Halbzeugen montierter Fahrgestellrahmen wird bei der selbsttragenden Blechformteilbau weise verzichtet.

Die Bauweise erfordert komplexe Produktionsanlagen und einen aufwendigen Werkzeugbau. Die Entwicklung im Karosseriebau erscheint weitgehend ausgereift, so daß wesentliche Gewichtsein sparungen bei gleicher Festigkeit der Karosserie nach dem Stand der Technik nicht mehr erwartet werden dürfen. Gleichzeitig wider sprechen sich die aktuelle, ökologisch bedingte Forderung nach Leichtbau, die Forderung der Optimierung der passiven Sicherheit und die Forderung der Kostensenkung im Karosseriebau. Ein weiterer Zielkonflikt besteht zwischen Leichtbaumaßnahmen und der Beibehaltung der akustischen Eigenschaften.

Leichtbauweisen sind kaum durch eine bloße Materialsubstitution zugunsten von Leichtmetallen realisierbar, sondern erfordern ma terialgerechte Gesamtkonstruktionen. Aktuelle Leichtbaukonstruktio nen greifen auf das bekannte Prinzip des Gitterrohrrahmens zurück, das in den dreißiger Jahren durch Felice B. Anderloni realisiert wurde, wobei diese separaten, innenliegenden Tragwerke heute von stranggepreßten, verklebten Aluminiumprofilen ausgebildet werden, die entsprechend gebogen sein können, und die durch spezielle Knoten (dies sind Druckgußformteile) verbunden werden. Die beschriebene Bauweise verursacht relativ höhere Materialkosten und einen zusätzlichen Montageaufwand und erscheint somit für übliche Großserienproduktionen weniger geeignet. Daneben ist die hohe ökologische Belastung aus der Rohstoffgewinnung durch die Aluminiumanwendung nachteilig.

Für Fahrzeugkomponenten werden vereinzelt Schichtenverbundbau weisen in Sandwichkonstruktion vorgeschlagen, so in DE 32 15 616, in DE 38 37 231, in DE 29 34 430 und in der Offenlegungsschrift P 2129049. Alle vorgenannten Verfahren bedürfen zusätzlicher Ferti gungsschritte und stellen insofern eine produktionstechnische Kom plizierung dar, während das erfindungsgemäße Verfahren vorsieht, daß beim Fügen im gleichen Produktionsschritt komplexe Gefüge in Schichtenverbundbauweise entstehen.

Die Erfindung stellt sich demnach die Aufgabe, eine selbsttragende Karosseriebauweise vorzuschlagen, die wesentlich leichtere Fahr zeuge bei gleicher Festigkeit ermöglicht, dabei produktionstechnisch einfach und somit kostengünstig ist.

Beschreibung

Die Erfindung macht sich die Eigenschaften eines neuen Verbund werkstoffes zunutze (P 44 01 968.8). Der Verbundwerkstoff besteht zunächst aus einem Trägermaterial, d. h. einem Blech, das mit einer Kunststoffbeschichtung versehen ist, die durch die Beimengung geeigneter thermischer Treibmittel so ausgeführt ist, daß sie auf schäumt, sobald das Material erwärmt wird. Dadurch wird eine Hart schaumschicht ausgebildet, die das Material versteift. Das Trägerma terial bleibt umformbar, so daß sich mit dem Verbundwerkstoff Form teile in Schichtenverbundbauweise in einem Arbeitsgang herstellen lassen. Die aufschäumende Kunststoffbeschichtung dient auch zu Klebemontagen. Die Ausbildung einer verdichteten Oberfläche der Hartschaumschicht in der Art einer geschlossenporigen Integral schaumschicht wird ermöglicht, indem in gekühlten Werkzeugen aufgeschäumt wird, und die Schaumschicht die Werkzeugkontur abformt.

Die Anwendung dieses Werkstoffes im Karosseriebau, die sich dadurch ergebenden Verfahren und diverse Füge- und Verbindungs techniken werden im folgenden an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Rohkarosserie eines PKWs,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch den Vorderwagen,

Fig. 3 eine Fahrzeugtür in zwei Ansichten.

Die Herstellung der Rohkarosserie (1) in Verbundbauweise, die in Fig. 1 dargestellt ist, kann in unterschiedlich komplexer Weise von der herkömmlichen selbsttragenden Karosseriebauweise abweichen. Im allgemeinem ist die Rohkarosserie (1) in einer selbsttragenden doppelschaligen Formteilbauweise aus Formteilen in Verbundbau weise zusammengefügt - durchaus analog zur konventionellen Bauweise aus verschweißten Stahlblechen. Die Anwendung des Verbundwerkstoffes bedingt allerdings Änderungen in der Dimensio nierung der Formteile und der Materialdicken, in der Ausführung der Querschnitte und in der Produktionstechnik.

Die Karosserie weist Bereiche mit einseitiger Hinterschäumung der Bleche mit einer Integralschaumdeckschicht auf, also in Schichten verbund- oder Hybridbauweise, und solche mit doppelseitigen metallischen Deckschichten in der sogenannten Sandwichbauweise.

Verbundbauweisen in Sandwichbauart, bei der leichte Kernschichten zwischen zugfesteren Deckschichten angeordnet sind, nutzen den Umstand, daß in einer belasteten Platte an der Oberseite Zugkräfte und an der Unterseite Druckkräfte auftreten, die Mittelschicht jedoch nur relativ geringe Schubkräfte aufnehmen muß. Die größere Materialdicke fließt in die Festigkeitsrechnung mit ein - sie bewirkt neben der sehr wesentlichen Erhöhung der Biegesteifigkeit auch die Erhöhung der Biegefestigkeit. Formteile in Sandwichbauweise sind daher meist relativ flächige Teile, und Sandwichbauweisen ent sprechen im allgemeinem eher einer selbsttragenden Tafelbauweise als einer Rahmen- oder Skelettbauweise. Für den Karosseriebau heißt das, daß im Gegensatz zur konventionellen Bauweise, bei der die Festigkeit der Karosserie aus der Biegefestigkeit von Quer schnitten der doppelschalig ausgebildeten Hohlkörper abgeleitet wird (insofern vergleichbar einer Rahmenbauweise), weniger doppel schalige Verstärkungsteile benötigt werden. Im Regelfall wird die Festigkeit des Verbundwerkstoffs, der aufgeschäumt aus einer Blechschicht, die von einer Integralschaumschicht unterfüttert ist, besteht, in vielen Karosseriebereichen, in denen sonst doppelschalig unterfüttert wird, ausreichend sein. Formteile aus dem Verbund werkstoff, die der Ausbildung der tragenden Struktur dienen, brauchen wesentlich weniger stark umgeformt, also z. B. versickt oder verprägt, sein als sonst innenliegende Verstärkungsteile aus Blech formteilen und können geringer dimensioniert werden.

Natürlich wird auch das Trägermaterial des Verbundwerkstoffs bei gleichen Beanspruchungen dünner dimensioniert werden können. Der asymmetrische Aufbau des Schichtenverbundes mit einer ein seitigen, verdichteten Integralschaumdeckschicht entspricht als ein tragendes, leichtes Konstruktionsmaterial in seiner Struktur sehr gut den Belastungen im Fahrzeugbau. Das fertigungstechnisch bedingte Dimensionierungsproblem der zwei Deckschichten bei der bekannten Sandwichbauweise, die eine Mindestdicke nicht unter schreiten können, wird umgangen. Für eine ideale Sandwichkon struktion, die den Beanspruchungen im PKW-Bau entspräche, müßten andernfalls unrealistisch dünne Blechdeckschichten verwen det werden, so bei Stahlblech von ca. einem Zehntel der derzeit verwendeten Blechdicken. Der negative Nebeneffekt der Beul empfindlichkeit solcher theoretischen Sandwiches mit sehr dünnen Deckhäuten kann durch einseitige Hinterschäumung mit einer integralen Kunststoffbeschichtung vermieden werden, und es entfällt der produktionstechnische Aufwand der Herstellung zweier Blech formteile. Die Korrosionsgefahr, das heißt die Gefahr des Durch rostens bis zur Kernlage, wird gegenüber sehr dünnen Deckhäuten gemindert. Für Formteile mit gewölbten Flächen reicht bei vielen Dimensionierungen die Membransteifigkeit der festgelagerten Form teile ohnehin aus, so daß Sandwichformteile mit doppelten Deck schichten jenseits einer kritischen Grenze, die in der konkreten Bauteilgeometrie begründet ist, keine Gewichtsvorteile aufweisen würden, zumal unter der Berücksichtigung der fertigungstechnischen Restriktionen. Die einseitige Hinterschäumung kann modellhaft mit der Struktur eines T-Profilträgers verglichen werden, versus eines Doppel-T-Profils, wobei die Zugkräfte an der konvexen Schalen außenseite, also dem Blech, angreifen. Die Bauteilsteifigkeit setzt sich bekanntlich mit bauteilabhängiger Gewichtung zusammen aus dem Biegeanteil (relevant: Materialdicke³) und dem Membrananteil (relevant: Wölbhöhe² × Materialdicke). Die Membransteifigkeit von Formteilen wird also im Fall der asymmetrischen Schichtenverbund bauweise durch Stärkung des Biegeanteiles unterstützt, und damit natürlich auch die in vielen Strukturbereichen ausschlaggebende Durchschlagsteifigkeit des gewölbten Bauteiles. Die verdichtete Kunststoffoberfläche kann in einem geringeren Maße als das Blech ebenfalls Zug- bzw. Druckkräfte aufnehmen.

Diese Werkstoffgestaltung hat wegen der größeren Gesamtma terialdicken und der höheren Steifigkeit positiven Effekt auf das plastische Arbeitsvermögen relativ zu Stahlblechschalen gleichen Gewichts, womit sich die Möglichkeit zur Gewichtsoptimierung auch bei Strukturen ergibt, die für die Absorption kinetischer Energie aus gelegt werden müssen. Entsprechendes gilt auch für die elastische Energieaufnahmefähigkeit.

Der PKW-Aufbau ist weniger festigkeitskritisch als vielmehr steifigkeitskritisch. Sehr wichtig ist ein schubfester, steifer Seiten rahmen einbezüglich der Schweller. Der Beitrag der Dach- und Bodenflächen zur Torsionssteifigkeit ist vergleichsweise nur gering.

Prinzipiell sind Dach- und Bodenblech im Gesamtverbund weniger dynamisch belastet, obwohl für die gesamte Bodengruppe natürlich aus Sicherheitsanforderungen heraus eine Erhöhung der Bauteil steifigkeit angestrebt wird. Außerdem ist konstruktiv zu berück sichtigen, daß Probleme aus Festigkeitsanforderungen am ehesten im Bereich von Fügestellen und Krafteinleitungen auftreten.

Der Verbundwerkstoff kann auf der Basis eines Stahl- oder eines Aluminiumbleches als Trägermaterial ausgeführt werden. Für die Wahl eines Stahlbleches spricht neben den niedrigeren Material kosten auch der Umstand, daß sich die Wärme, die zum Aufschäu men der Kunststoffbeschichtung benötigt wird (das sind je nach Beschichtung nur 140°-200°), durch elektromagnetische Induktion in dem Trägermaterial selbst bilden läßt. Dieses Verfahren zur Erwärm ung der Bleche hat einen niedrigen Energiebedarf und erwärmt auch komplexe Strukturen homogen. Für die Verwendung von Aluminium spricht eine weitgehendere Gewichtsoptimierung. Die Anwendung des Verbundwerkstoffes begünstigt überdies verklebte und mecha nische Montagen, ein Vorteil vor allem für Aluminiumbleche, die beim Schweißen sonst stark verziehen und deren Schweißnahtfestigkeit nur gering ist, so daß das vorgestellte Verfahren auch viele Probleme löst, die sich sonst bei Aluminiumkonstruktionen ergeben und der Verwendung dieses Materials entgegenstehen. Auch der Umstand, daß Alubleche bei vergleichbaren Festigkeiten weniger gut "stehen" als Stahlbleche, wird durch die Kunststoffunterfütterung ausge glichen.

Der Verbundwerkstoff kann der jeweiligen lokalen Belastung durch die Ausführung der Kunststoffbeschichtung angepaßt werden, die z. B. unterschiedlich hoch aufschäumen kann, bei dem Aufschäumen in vorgegebenen Hohlräumen somit unterschiedlich verdichtet wird, oder die auch aus unterschiedlich schubfesten bzw. temperaturbe ständigen Kunststoffen bestehen kann. Als Kunststoffbeschichtungen sollten im Hinblick auf ein späteres Recycling, bei dem das metal lische Trägermaterial der stofflichen Wiederverwertung zugeführt werden wird bei gleichzeitiger thermischer Verwertung der Kunst stofffraktion als Energieträger für den Schmelzprozeß, schadstoffarm verbrennende, chlorfreie Thermoplaste verwendet werden. Für den Eintrag an Luftschadstoffen durch die Verbrennung von Kunststoffen sind hauptsächlich die vermeidbare Verwendung von Chlor, Fluor und Schwermetallen bei bestimmten Kunststoffsorten verantwortlich. Beim Verbrennen von chlorierten Kunststoffen wie z. B. Polyvinyl chlorid (PVC) entstehen Säuren: Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoff, außerdem polychlorierte Dibenzodioxine (PCDD) und polychlorierte Dibenzofurane (PCDF). Auch Polycarbonat (PC), das durch Poly kondensation von Phosgen mit Dioxydiphenyl-Propan (Dian) hergestellt wird, sollte wegen des Gefährdungspotentials der Technologie vermieden werden, obwohl PC+ABS-Blends sonst als geeignet erscheinen.

Es haben sich eher zähelastische im Gegensatz zu sprödharten Schäumen bei Sandwichbauweisen als zeitstandfest und technisch geeignet erwiesen. Bevorzugt anwendbar sind demnach sogenannte technische Thermoplaste mit sehr guten thermischen Materialeigen schaften, oder Polyolefine, die zudem einen beträchtlichen Kosten vorteil und einen niedrigen Ressourcenverbrauch aufweisen. Poly propylen (PP), u. U. auch in einem Blend mit Polyethylen-High Density (PE-HD), ist für die meisten Anwendungsbereiche ausreich end wärmestandfest und kälteschlagzäh. Diese Kunststoffe basieren wie auch Polystyrol (PS) ausschließlich auf Kohlen- und Wasserstoff. Bei der Verbrennung von PP entstehen nur geringe Schadstoffbe lastungen; bezogen auf 1 kg: 0,05 g Partikel; 1,3 g CO; 5,2 g NO_x; 0,36 g SO₂. Bei den Mengenkunststoffen bestehen allein für PE- und PP-Monomere keinerlei MAK-Werte. Auch energetisch sind PE und PP im Hinblick auf ein Recycling des Verbundwerkstoffes gut geeig net; von der insgesamt verbrauchten Produktionsenergie lassen sich hier 62% bzw. 60% durch thermische Nutzung rückgewinnen; bei PVC sind es beispielsweise nur 34%. Polyolefine sind darüber hinaus auch für ein monomeres Recycling geeignet.

Auch die Styrolcopolymerisate, die jedoch gegenüber PP keine Kostenvorteile versprechen und bei der Verbrennung höhere Luft schadstoffemissionen freisetzen, erscheinen kunststofftechnisch ge eignet, ebenso Polyamide (PA).

Daneben steht für technisch anspruchsvollere Anforderungen Polyphenyloxid (PPO bzw. PPE), unter Umständen auch in einer Copolymerisation mit PS, zur Verfügung. Die hochtemperaturbestän digen Thermoplaste Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES) und Polyimid (PI) werden als Hartschäume für Sandwichkernlagen im Flugzeugbau angewendet, sind jedoch bei der derzeitigen Kosten situation für den PKW-Bau irrelevant, obwohl technisch gut geeignet.

Als thermische Treibmittel sind chemische Treibmittel (im Gegen satz zu sogenannten physikalischen Treibmitteln, wie den Alkanen Pentan bis Heptan) einsetzbar. Chemische Treibmittel, z. B. Stick stoff-Nitrosoverbindungen oder Azodicarbonamid, zerfallen exotherm bei höheren Temperaturen unter Bildung inerter Gase und nichttoxi scher Rückstände.

Als Kunststoffadditive werden Brandschutzausrüstungen und ggf. Antioxdantien benötigt. Antimon- und bromhaltige Flammschutzmittel sind hier durch Aluminiumverbindungen substituierbar, um Schwer metallbelastungen zu vermeiden. Dies hat den zusätzlichen Nutzen, daß das Aluminium bei dem metallurgischen Recycling in die Legierung eingeht, und daß eine elektrische Leitfähigkeit der verdichteten Kunststoffoberflächen hergestellt werden kann, wozu auch Aluminiumpulver oder Aluminiumoxid der Kunststoffbeschich tung beimischbar sind. Diese Leitfähigkeit ist für elektrostatische Lackierverfahren, z. B. für die Grundierung, nutzbar. Es bieten sich also Aluminiumhydroxid als Flammschutzmittel an, oder auch Al- Mikrofasern, die gleichzeitig eine mechanische Verstärkung des Hart schaumes bewirken können, z. B. NaAl(OH)₃CO₃.

Bei der Dimensionierung des Trägermaterials kann eine Blechdicke von 0,2 mm als untere fertigungstechnische Grenze angenommen werden, wobei bei einem Vergleich von Stahlblech zu Aluminium blech eine ungefähr dreifache Dicke des Al-Bleches für vergleich bare Festigkeiten notwendig ist. Der aufgeschäumte Schichtenver bundwerkstoff wird Dicken von ca. 6 bis 12 mm erreichen. Diese Materialdimensionierung erscheint einerseits für Anwendungen im PKW vom Raumbedarf her unproblematisch und verspricht anderer seits bei dem hier eher niedrigen Verhältnis von Belastung zur Bau teilabmessung gute Tragfähigkeiten. In Bereichen, in denen Sand wiches mit doppellagigen metallischen Deckschichten ausgebildet werden, kann dicker dimensioniert werden. Um zu einer Integral schaumdeckhaut verdichtet zu werden, muß die Kunststoffbe schichtung entsprechend stärker aufschäumen. Bei einem Faktor von 12 von kompaktem Kunststoff zu Hartschaum (also z. B. Raumge wicht 0,9 zu Raumgewicht 0,075 g/mm³) ist ein freies Aufschäumen von ca. 25 mm erforderlich. Daraus ergibt sich ein Materialaufbau von minimal 0,2 mm Blech + maximal 2 mm Kunststoff für das Aus gangsmaterial. Dieses Material kann kalt umformbar sein; ebenso ist die Möglichkeit einer Temperierung auf unterhalb der Aufschäum temperatur vor dem Umformen zu überprüfen.

Die Rohkarosserie (1), die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, wird von diversen Formteilen ausgebildet, die mit den Seiten der Kunst stoffbeschichtung gegeneinander liegen, so daß die außenliegenden Formteile zum Fahrzeuginneren hin aufschäumen und die innen liegenden Formteile nach außen hin. An den Auflageflächen der Formteile verdichten die aufschäumenden Kunststoffbeschichtungen und bewirken eine Verklebung, wobei die Treibgase in die übrige Schaumstoffschicht entweichen. Dadurch wird ein inhomogener Dich teverlauf der Schaumstoffschicht erreicht, dergestalt, daß an den Partien, die dem Trägermaterial am nächsten liegen, eine höher verdichtete Schaumschicht ausgebildet wird. Genauso wird eine Verklebung und eine Verdichtung auch an Einlegeteilen erfolgen. Die flächige Verbindung der Schaumschicht mit der Deckschicht ist hochbelastbar, weil der Schaum, der aus der Beschichtung heraus aufgeschäumt wird, auch im Verbindungsbereich höher verdichtet ist, als im weniger beanspruchten Kernbereich.

Dort, wo die Formteile Hohlkörper ausbilden, verschmelzen die Hart schaumschichten miteinander und verfüllen somit die Hohlräume.

Genauso können die aufschäumenden Kunststoffbeschichtungen mit vorgeformten Einlegeteilen aus Hartschaum verkleben, die in die Hohlräume eingelegt werden. Diese Inlets werden kostengünstig und umweltgerecht im Partikelschaumverfahren mittels physikalischer Treibmittel hergestellt, die nicht ozonreaktiv sind. Austretende Alkane können hierbei zur Erzeugung der Prozeßwärme verbrannt werden.

Die Formteile aus dem umgeformten Trägermaterial werden in ein Werkzeug eingelegt, das der Fixierung der Formteile beim Auf schäumen dient. In Bereichen, in denen sich keine verstärkenden inneren Formteile befinden, werden die Schaumschichten als Integralschaumschichten ausgebildet, indem die aufschäumenden Kunststoffbeschichtungen die Kontur dieses Werkzeuges abformen. Das Werkzeug wird in den Bereichen, die der Ausbildung der Integralschaumschicht mit einer geschlossenporigen, lackierfähigen Oberfläche dienen, gezielt auf unterhalb 50° Celcius gekühlt. Gleich zeitig wird das Werkzeug an der gegenüberliegenden, äußeren Seite, also der anderen Werkzeughälfte, beheizt, um das Aufschäumen der Kunststoffbeschichtung auszulösen, bzw. die Prozeßwärme wird elektromagnetisch in dem Trägermaterial durch hochfrequente Wechselfelder induziert. Der Temperaturausgleich kann nach jedem Montagevorgang abgebaut werden, indem die Werkzeughälften auseinandergefahren und vor dem Einlegen der Formteile wieder entsprechend temperiert werden. Das Einlegen der Formteile kann auch durch Vorrichtungen oder Roboter erfolgen, wobei die Formteile zunächst in den inneren, gekühlten Werkzeugteil eingelegt werden. Der innere Freiraum, den die Rohkarosserie (1) bietet, ist geräumig genug für einen Kernzug dieses Werkzeuges. Außerdem ist die Bodengruppe nachträglich montierbar, so daß die vormontierte Roh karosserie (1) nach oben vom Werkzeug abgehoben werden kann.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das gesamte Werkzeug in einem Ofen oder einer Wärmekammer in der Art eines Umluftofens zu erwärmen, während gleichzeitig die Werkzeuginnenflächen dort, wo Integralschaumschichten ausgebildet werden sollen, gekühlt wird. Das Werkzeug läßt sich darüber hinaus durch eingebrachte Heiz spiralen gezielt lokal erwärmen. Dies kann notwendig sein, um etwa Kastenholme in der Nähe von gekühlten Integralschaumflächen auszuschäumen.

In beiden Fällen müssen die austretenden Treibgase abgeführt und entsorgt werden. Da in geschlossenen Systemen aufgeschäumt wird, ist dies ohne weitere Probleme möglich.

Auf die beschriebene Weise werden auch die vormontierten Bau gruppen miteinander verbunden. Die einfachste Möglichkeit, ein Formteil aus dem Verbundwerkstoff herzustellen, ist, direkt nach dem Umformen im Umformwerkzeug aufzuschäumen. Dazu wird das Ge senkwerkzeug um die spätere Materialstärke auseinandergefahren und das Trägermaterial erwärmt, so daß die aufschäumende Kunst stoffbeschichtung die Werkzeugkontur abformt. Auch so vorge fertigte Verbundbauteile sind natürlich für die oben beschriebene weitere Montage geeignet.

Die innenliegenden Verstärkungsteile müssen nicht in jedem Fall aus dem Verbundwerkstoff bestehen; es können auch übliche Blech formteile verwendet werden, die mit der Kunststoffbeschichtung verklebt werden. Genauso ist die Einbringung konventioneller ver schweißter Strukturen aus Blechen in den Verbund der erfindungs gemäßen Karosserie möglich. Voraussichtlich werden lediglich zwei Montagestationen (also Öfen bzw. beheizte Werkzeuge) der beschriebenen Art notwendig sein, um die Karosserie aus umge formten Teilen "zusammen zu backen", die in diese Werkzeuge eingelegt werden.

Als eine mögliche vorgefertigte Baugruppe ist in Fig. 1 der Seiten rahmen (2) dargestellt, der die Türrahmen, d. h. die Türanschläge, ausbildet, und der in der Zeichnung durch eine Punktrasterung gekennzeichnet ist. Dieser Seitenrahmen (2) kann aus dem Verbund werkstoff bestehen oder einer konventionellen Blechschalenstruktur. Alternativ hierzu wird der Seitenrahmen (2) in einer bevorzugten Ausführung als ein Leichtmetallformteil in Aluminiumdruckguß aus gebildet, wobei der Fensterholm der A-Säule diesem Formteil angeformt ist. Das Formteil wird bei einer entsprechenden Auslegung der Karosseriestruktur somit eine tragende Funktion erfüllen, analog zu einer innenliegenden Gitterrohrrahmenkonstruktion, nur daß in diesem Fall Teile der Außenfläche des Fahrzeugs durch den Seiten rahmen (2) mit ausgebildet werden. Der Seitenrahmen (2) ist damit Bestandteil einer belastbaren Fahrgastzelle, wobei die angestrebte Schubfestigkeit des Seitenrahmens durch die Auslegung als Alumi niumformteil unterstützt wird. Das Formteil kann den Belastungen entsprechend lokal verstärkt, z. B. verrippt, sein, etwa im Übergangs bereich von A-Säule ins Dach und im Bereich des vorderen Türan schlages. Zur Ausbildung eines geschlossenen Biegequerschnittes kann ein dünnwandiges Rohr oder Profil als Einlegeteil eingebracht werden. Ausschlaggebende Kenngröße für die Schubfestigkeit des Seitenrahmens ist das Verhältnis von Elastizitätsmodul zur Masse. Ein Al-Seitenrahmen ist demnach auch sinnvoll in einer Stahlblech schichtenverbundkonstruktion integrierbar; die Lösung des Recyc lingproblems vorausgesetzt, das sich allerdings prinzipiell auch bei einer reinen Al-Konstruktion ergibt, da Al-Gußlegierungen und Al- Knetlegierungen nicht ohne Qualitätsverluste gemeinsam recyclier bar sind. Die im Vergleich zu Blechformteilen variablere Ausformbar keit des Gußteils kann konstruktiv nutzbar gemacht werden, z. B. für mechanische Verbindungen. Es ist also eine demontable Konstruk tion des Seitenrahmens zu gestalten.

Die Einbeziehung eines Gußformteils in den statischen Gesamtver bund ist allerdings nur eine Option unter mehreren Möglichkeiten.

In die Karosseriestruktur sind außerdem Längsträger (3A-3D) einbringbar, die stranggepreßte Leichtmetallprofile sind. Sie können z. B. als Verstärkungen in Sandwichbauteile eingeschäumt werden. Als Querträger können sie eine Verbindung zwischen den beiden Seitenrahmen (2) herstellen, und etwa im Bereich des Frontschei benrahmens und unterhalb der Vordersitze verlaufen, etc. Die Längsträger (3A bis 3D) sind in Fig. 1 schraffiert dargestellt. Der Längsträger (3B), der im Bereich des Fahrzeugdaches verläuft, ist genau wie der Längsträger (3C) im Bereich des Fahrzeugschwellers als ein Profil ausgeführt, das durch eine Verfugung auf die Montage des Seitenrahmens (2) vorbereitet ist. Die Profile sind dabei mit den Schichtenverbundformteilen, die das Fahrzeugdach und das Boden blech bilden, ebenfalls verfugt und durch Aufschäumen zusätzlich verklebt. Die Strangpreßprofile können über entsprechende Biege vorrichtungen gebogen werden, so daß sie sich den Fahrzeug konturen anpassen lassen (vgl. 3A und 3B). Bei einer Ausführung in Stahlblechschichtenverbundbauweise können umgeformte Blechpro file (Blechformteile) verwendet werden.

In Fig. 2 sind verschiedene Verbindungstechniken dargestellt, wozu ein Schnitt durch den Vorderwagen gezeigt wird (die Zeichnung dient also einer schematischen Illustration der erfindungsgemäßen Verbindungstechniken, nicht der Darstellung einer realistischen Vor derwagenkonstruktion).

Die Motorhaube (4) ist als ein Verbundwerkstofformteil mit einer einseitigen Integralschaumschicht dargestellt. In die Schaumschicht ist ein Einlegeteil (5) eingebettet, das eine Verschraubung erlaubt, und das ebenso aus einem Metall, wie einem Kunststoff bestehen kann. Wegen der besseren Recyclierbarkeit wird eine Ausführung aus einem Metall vorgeschlagen, dessen Legierung dem Trägerma terial entspricht. Einlegeteile werden vor dem Aufschäumen in die Form eingelegt, wobei die Auflageflächen mit der aufschäumenden Kunststoffbeschichtung verkleben. Außer Montageteilen können auch lokale Verstärkungen auf diese Weise mit den Formteilen ein fach verbunden werden. Bei dem Beispiel der Motorhaube werden auf diese Weise die Scharniere, die Zuhaltung und der Fanghaken befestigt. Diese Art, eine Motorhaube zu bauen, stellt eine Verein fachung im Vergleich zu einer Schweißmontage aus mehreren Blech formteilen dar.

Der Verbundwerkstoff wird in anderen Bereichen auch als ein Sand wichformteil mit zwei Deckschichten ausgeführt werden. In solchen doppellagigen Sandwichteilen können ebenfalls Verstärkungen eingebracht werden, die bei Aluminiumbauweisen vorzugsweise als Strangpreßprofile ausgeführt werden. Solche Bauausführungen sind z. B. im Bereich der Bodengruppe sinnvoll. Die Ausbildung der Bodengruppe als ein doppelschaliges Sandwichteil mit lokalen Ver stärkungen verspricht neben guten Leichtbaueigenschaften eine pro duktionstechnische Vereinfachung und hohe Steifigkeit des Chassis.

In den Profilen können, sofern sie als Hohlkammerprofile ausge bildet sind, zudem Kabelbäume für die elektrische Anlage als Flach bandkabel verlaufen, so daß zusätzlich die Elektromontage verein facht wird, oder es werden isolierte Leiterbahnen eingeschäumt. Die Hauptbahnen der Elektrokabel können vor der Klebemontage der Verbundformteile und vor dem Lackieren eingebracht werden, so daß die Notwendigkeit einer nachträglichen Verkabelung entfällt. Die Verbindungen werden anschließend über Steckerkontakte herge stellt, die für den Lackiervorgang abgedeckt werden. Die Leiter bahnen sollten aus Al, nicht aus Kupfer bestehen, sofern die Leitun gen vor dem metallurgischen Recycling nicht entfernt werden, da ein Kupfereintrag sich insbesondere in Stahl- aber auch in Al-Legier ungen negativ auswirkt.

Aluminiumstrangpreßprofile können hochkomplexe Querschnitte aus bilden, so daß sie am Randbereich von Sandwichformteilen als Ver bindungselemente dienen können, die mit Verfugungen auf Verbin dungstechniken vorbereitet sind, die aus der Profilbauweise bekannt sind. Im einfachsten Fall können dies z. B. Nut- und Federverfu gungen für Klebemontagen sein. Auch Schraubverbinder, die in hinterschnittige Nuten eingreifen, ähnlich einer Schwalbenschwanz verbindung, sind vorstellbar. Eine mögliche Verbindungstechnik ist am Beispiel des Profils 3A gezeigt, das hier als eine Kotflügelbank dargestellt wird.

Der Kotflügel (6) ist als ein konventionelles Blechformteil dargestellt. Es greift mit einer Falz in eine Hinterschneidung ein, die von dem Profil (3A) ausgebildet wird. In dieser Hinterschneidung wird das Formteil durch ein dauerelastisches Bauteil (7) verklemmt, das durch die Einbringung einer Keilleiste (8), die ein weiteres Profil ist, in diesem Hohlraum verspannt wird. (Die Verbindung ist mit getrennt gezeichneten Elementen nochmals nebenstehend abgebildet.) Die Motorhaube (4) schlägt an dem dauerelastischen Bauteil (7) an (d. h. genauer an der Keilleiste (8)). Die vorgestellte Verbindung hat die Vorteile, daß sie einfach in der Montage ist, die Montage gut mechanisierbar ist, die Verbindung für die Demontage wieder lösbar ist, die Verbindung dauerhaft ist, die Verbindung auf die gesamte Länge dicht ist, die Verbindung zwar kraftschlüssig ist, jedoch Verspannungen ausgleichen kann, und es somit zu keinen Span nungsabrissen bei dynamischen Belastungen kommen kann. Die Verbindung ist insofern auch deformierbar, ohne daß sie aufreißt. Die Verbindungstechnik wird vorgeschlagen für Montagen, bei denen ein Profil im Randbereich eines Verbundformteils zu dessen Verstär kung eingeklebt wird. Sie ist geeignet für die Montage von im statischen Verbund nicht hochbelasteten, mittragenden Teilen. Auf die beschriebene Weise können auch Gußformteile aus Aluminium mit Profilen oder Formteilen aus Blech oder dem Verbundwerkstoff untereinander verbunden werden.

Die Verbindung mit dauerelastischen Klemmprofilen kann, um ein weiteres Beispiel zu nennen, für die Montage des Fahrzeugdaches zwischen den Seitenrahmen (2) angewendet werden. Das Fahrzeug dach kann in diesem Fall ein vormontiertes Teil sein, bei dem die aufschäumende Kunststoffbeschichtung bereits mit dem gepolster ten Dachhimmel verklebte, da der umgeformte Verbundwerkstoff vor dem Aufschäumen einseitig lackiert werden kann. Die Querträger im Bereich der Front- und Heckscheibe werden dann durch Formteile der Innenverkleidung verdeckt, die vorne z. B. die vormontierten Sonnenblenden integrieren, oder sind bereits mit dem Dachelement verklebt.

Wieder lösbare, mechanische Verbindungen sollten allgemein in Bereichen angewendet werden, in denen Bauteile für ein Recycling getrennt werden müssen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

Das Profil (3A), das die Kotflügelbank ausbildet, ist mit zwei Formteilen (9A und 9B) aus dem Verbundwerkstoff verklebt, die mit dem Profil verfugt sind. Das Profil (3A) dient auch als Darstellung, dafür, wie die Sandwichkonstruktion mit tragenden Teilen, z. B. des Fahrwerks, zu verbinden ist. So könnten an dem Profil (3A) Teile der Radaufhängungen angelenkt werden, etc.

Die Formteile (9A und 9B) liegen mit den Kunststoffbeschichtungen zueinander, so daß die aufschäumenden Beschichtungen miteinan der verkleben und die Hohlräume mit Hartschaum verfüllen. Der Hartschaum wird dabei an Stellen, an denen die Formteile enger beieinander liegen, höher verdichtet. Die Formteile (9A und 9) bilden in der Darstellung einen Kastenholm (10) aus. Die Darstellung ver deutlicht den schon oben beschriebenen konstruktiven Unterschied zwischen Sandwichbauweisen und doppelschaliger Blechformteil bauweise: während sonst eine Querschnittsvergrößerung, d. h. ein entsprechender Kastenholm, immer die Verstärkung eines Formteils bewirkt, nimmt hier die Verdichtung des innenliegenden, mittragen den Hartschaumkernes ab, ebenso seine Fähigkeit, Schubkräfte zu übertragen. Eine Verdickung der Sandwichformteile aus dem Ver bundwerkstoff bewirkt also nicht zwangsläufig eine größere Biege festigkeit. Vielmehr ist die erreichbare Festigkeit hier in einer Abhängigkeit zu sehen von der Materialstärke der Deckschichten, der Schubfestigkeit des Schaumkernes und der Dicke des Bauteils. Eine Steigerung der Festigkeit durch eine Verdickung der Sandwich teile wird in Grenzbereichen nur bei der Verwendung entsprechend zugfest dimensionierter Deckschichten zu erreichen sein. Deshalb wird die Verbundbauweise im allgemeinem eher eine Tafelbauweise sein (bzw. eine Schalenbauweise mit selbsttragend versteiften Schalen). Bei stark dimensionierten Deckschichten, wie sie wahr scheinlich weiterhin in belasteten Bereichen erforderlich sein werden, wird allerdings eine Ausführung der Konstruktion sinnvoll sein, die dann wieder mehr der konventionellen Bauweise folgt, also, wie dargestellt, z. B. die Ausbildung zusätzlicher Kastenholme vorsieht. Diese Ausformungen brauchen jedoch weniger stark durch die Biegefestigkeit der Querschnitte versteift zu sein, als dies bei konventioneller Bauweise üblich ist, da die Unterfütterung mit dem Hartschaum die Versteifung des Formteils übernimmt. Es besteht ferner die Möglichkeit, in den Kastenholm Verstärkungsbleche einzuziehen, die dann bspw. diagonal verlaufen, oder aber Profile einzuschäumen, bzw., wie schon oben vorgeschlagen, vorbereitete Hartschaumkerne einzulegen, die mit der übrigen Hartschaumschicht verbinden.

Im weiteren Verlauf der Formteile (9A und 9B) sind diese direkt mit einander verklebt, und somit miteinander verpreßt. Diese Ausführung der Verbundbauweise ist hier beispielhaft als Motorhalterung (11) dargestellt. Gegenüber sonstigen verpreßten Verklebungen hat die Verklebung durch die Kunststoffbeschichtungen den Vorteil, daß der Anpreßdruck durch den Schäumdruck der thermischen Treibmittel verursacht wird. Somit werden aufwendige hydraulische Druck pressen, wie sie nach dem Stand der Technik für die Herstellung von Sandwichteilen verwendet werden, überflüssig; es genügen einfachere Werkzeugzuhaltungen. Der erforderliche Werkzeugbau ist auch in dieser Hinsicht kostengünstiger. Dieser Vorteil der verpreß ten Verklebung betrifft im übrigem alle verklebten Auflageflächen, also die Flansche von Formteilen, aus dem Verbundwerkstoff. Das Beispiel zeigt die Ausbildung der Motorhalterung (11) als eine Quer strebe aus einem festen Metallaminat, auf dem die Motorlager mon tierbar sind. Um Krafteinleitungen zu ermöglichen, könnte zusätzlich zwischen den beiden Blechen ein dickeres Verstärkungsblech angeordnet werden, so daß sich ein dreilagiges Laminat ergeben würde.

Mit dem separat dargestellten Verbundbauteil (12) wird eine weitere einfache Möglichkeit illustriert, Verstärkungen mit dem Verbund werkstoff anders als in herkömmlicher Blechformteilbauweise auszu bilden. Das umgeformte Teil aus dem Trägermaterial ist hier noch mals abgekantet worden, so daß der umgeschlagene Blechfalz im Randbereich des Formteils doppelt liegt. Beim Aufschäumen wird der so gebildete offene Holm verfüllt, der restliche Teil des Verbund materials wird mit einer einlagigen Integralschaumschicht versehen, die mit dem Schaumkern des Holms verbindet.

Die Klebemontage begünstigt eine Vorbereitung der Rohkarosserie (1) auf die weitere Montage der Inneneinrichtungsteile. So können in die einseitig aufgeschäumten Integralschaumschichten Halterungen eingebracht werden, die einer rationellen Montage von Innenverklei dungen und ähnlichem dienen. Hierzu kommen unter anderem wieder Profile in Frage, auf die Formteile aus Kunststoffen montier bar sind, und die als Stringer gleichzeitig einer Versteifung des Formteils dienen. Die Kunststofformteile können dabei entweder mit den Profilen verfugt werden, so daß sie auf- bzw. eingeschoben werden; es können Schraubverbindungen oder vorzugsweise Clips verbindungen angewendet werden. Diese Clipsverbindungen können bei der Verwendung von Spritzgußteilen aus ausreichend elastischen Kunststoffen angeformt sein. Diese durch die Verwendung des Verbundwerkstoffes bedingte Montagemöglichkeit stellt eine weitere kostensenkende produktionstechnische Vereinfachung dar.

Fig. 3 zeigt eine Fahrzeugtür. Die Fahrzeugtür soll als Beispiel illustrieren, daß sich reparaturgerechte Konstruktionen auch mit Schichtenverbundbauweisen realisieren lassen. Entscheidend hierfür ist ein modularer Aufbau, der im konkreten Fall erst ermöglicht wird, weil das Türdeckblatt selbsttragend versteift ist. Verklebte Verbin dungen im Automobilbau sind nicht mehr ungewöhnlich; in jüngerer Zeit haben sich z. B. verklebte Autoscheiben, die einen zusätzlichen Steifigkeitsgewinn bewirken, allgemein durchgesetzt.

Die Zielsetzung bei der Türkonstruktion ist neben Leichtbau und produktionstechnischen Vereinfachungen vor allem eine Optimierung der passiven Sicherheit im Fall eines Seitenaufpralls. Die Fahrzeug türen bestehen im wesentlichen aus einem Türkorpus (13), der ein Strangpreßprofil ist, und einem Formteil (14), das den Scheibenrah men und den Türanschlag ausbildet. Der Türkorpus (13), der auch als Aggregateträger dient, ist in der Seitenansicht nochmals im Schnitt dargestellt; entsprechende Großprofile sind bis zu Breiten von ca. 800 mm extrudierbar. Das Formteil kann ein Kunststoffspritz gußteil sein, das auch die Innenverkleidung teilweise integriert. Das Türdeckblatt (15) ist ein mechanisch montiertes, also vorgeblendetes und somit austauschbares Schichtenverbundwerkstoffteil, dessen Integralschaumausbildung in das Formteil (14) formschlüssig ein greift, und an dessen Innenseite ein Profil (16) verklebt ist, das durch eine Verfugung auf die Verbindung mit dem Türkorpus (13) vorbe reitet ist. In dem Türkorpus sind Hohlkammern (17a-17c) mit ver stärkenden Querschnitten eingeformt, die einen Seitenaufprallschutz gewährleisten. Die Scharniere und das Türschloß greifen form- und kraftschlüssig in diese Hohlkammern ein. In weitere Kammern der Konstruktion ist ein vormontierter Scheibenhebemechanismus (18) montierbar, der ebenfalls mit dem Türkorpus verfugt sein kann, und aus der Scheibe, Führungsschienen und der Mechanik besteht. Das Profil des Türkorpus (13), das den unteren horizontalen Türanschlag ausbildet, kann so ausgeführt sein, daß es im Fall eines starken Seitenaufpralls mit dem Schwellerprofil (3C) verankert.

Im Fall von Reparaturen oder des Recyclings ist die gesamte Türstruktur einfach demontabel. Der Türkorpus (13) ist bei dieser Konstruktion als ein Austauschteil vorgesehen, das über mehrere Produktzyklen genutzt wird, und die Ausgestaltung verschieden stilisierter Türen erlaubt. Durch eine weitgehend selbsttragende Auslegung der Karosseriekomponenten, die durch die Schichtenver bundbauweise begünstigt wird, kann ein modularer Aufbau mit hang on-parts ausgebildet werden. So ist es beispielsweise theoretisch möglich, den gesamten Vorderwagen selbsttragend als ein aus tauschbares Deformationselement anzuflanschen (in etwa analog zu einem Nutzfahrzeugrahmen), wobei der Vorderwagen zusätzlich an einem Rahmenteil in Form einer gabelförmigen Traverse montier bar wäre, das auch die Federbeindome abstützt. Dieses Rahmenteil könnte aus Blechformteilen assembliert sein.

Im allgemeinen sollte die Struktur der Fahrzeugkarosserie so ausge legt werden, daß die Bodengruppe und der Vorderwagen als doppel lagige Sandwiches ausgebildet werden, während der übrige Aufbau in der asymmetrischen Schichtenverbundbauweise ausgeführt ist, unter Umständen unter Einbeziehung von tragenden Rahmenteilen wie dem Seitenrahmen (2) oder einem Gitterrohrrahmen. Die erreich baren Steifigkeitsgewinne werden sicherlich nicht ausschließlich dem Leichtbau zugeschlagen; eine Erhöhung der passiven Sicherheit wird darüber hinaus erwirkt werden. Der Leichtbaugewinn kann geschätzt werden. In einer Studie des Instituts für Luft- und Raumfahrt der TU Berlin, in der Leichtbautechnologien des Flugzeugbaus auf ihre An wendbarkeit im Automobilbau untersucht wurden, werden die Leicht baupotentiale für doppellagige Sandwichstrukturen angegeben.¹ Unter der Berücksichtigung fertigungstechnisch realistischer Dimen sionierungen der Deckschichten wurde auf der Basis gleichbleiben der Biegesteifigkeit eine erreichbare Gewichtseinsparung von 50% für Sandwiches mit Stahlblechdeckschichten bzw. 80% bei Alumi niumdeckschichten ermittelt. Auch auf gleiche Biegefestigkeit bezo gen verhält sich Stahlsandwich annähernd gewichtsgleich zu unver stärkten Al-Blechen. Mit Stahl- wie Al-Sandwich läßt sich gleicher maßen eine Gewichtseinsparung von < 75% bezogen auf die Durch schlagsteifigkeit gekrümmter Bauteile erreichen; sehr wesentliche Einsparungen ergeben sich schließlich bezogen auf das elastische Energieaufnahmevermögen relativ zu Stahlblech, wobei diese Kenngröße bei schlagartigen, lokalen Belastungen wie Stein- oder Hagelschlag relevant ist. Es kann darüber hinaus angenommen werden, daß in den Bereichen des Aufbaus, in denen die asym metrische Schichtenverbundbauweise eingesetzt wird, diese den strukturellen Anforderungen besser als doppellagige Sandwiches entsprechen wird, da hier der Membrananteil bei den Biegewider ständen überwiegt. Eine Doppelung der fertigungstechnischen Mindestblechdicken ließe hier sowieso auch keinen wesentlichen Leichtbaugewinn mehr zu.

Bisher sind in der Beschreibung vor allem neuartige Klebemontagen und wieder lösbare mechanische Montagen dargestellt worden. Abschließend soll auf die Möglichkeit auch konventionell ausgeführ ter Montagen hingewiesen werden, die in belasteten Bereichen anwendbar sind. Aluminiumkonstruktionen werden bei Verklebungen in mechanisch beanspruchten Bereichen konventionellerweise zu sätzlich verdeckt vernietet. Die Bleche können zusätzlich verbördelt werden. Bei Verbindungen mit Profilen besteht die Möglichkeit, die Verfugungen, in die die Bleche eingreifen, vor dem Aufschäumen zu verpressen. Dazu können beispielsweise die Laschen des Profils 3A durch Vorrichtungen gebogen, d. h. angedrückt, werden; auch Al- Strangpreßprofile weisen eine entsprechende Umformtoleranz auf.

Eine weitere Verbindungsmöglichkeit ergibt sich daraus, daß die ungeformten Werkteile des Ausgangsmaterials in ein Werkzeug ein gelegt werden, das dann geschlossen wird. In diesem Werkzeug sind Stanzen integrierbar, die auf die Flansche der Werkteile wirken, und Verbindungen in Druckfüge- bzw. Durchsetzfügeverfahren (Clinchen) zusätzlich zur Verklebung bewirken. Diese Verfahren bieten schon bei den derzeitigen Blechstärken Kostenvorteile gegenüber Schweiß verfahren, insbesonders gegenüber Al-Schweißen von ca. 1 zu 2. Mit einer zusätzlichen Verklebung sind die Festigkeiten hinreichend. Auf entsprechende Weise lassen sich beim Schließen der Werkzeuges im gleichen Produktionsschritt Nieten, z. B. auch Stanznieten, und mit zweistufigen Verfahren Blindnieten, einbringen. Eine zusätzliche Verschweißung ist an Druckfügestellen möglich, bei denen die plastifizierte Kunststoffbeschichtung weitgehend verdrängt worden ist. Eine eventuelle Schweißbarkeit des nicht aufgeschäumten Ver bundwerkstoffes muß im Versuch überprüft werden, insbesondere für Ausführungen auf der Basis von Stahlblechen als Trägermaterial. Hier erscheinen die Strahlschweißverfahren, z. B. das Laser schweißen, insofern interessant, daß die Beschichtung während des Schweißvorganges an den Schweißstellen abgebrannt werden könn te, ohne die angrenzende, flammhemmend ausgerüstete Beschicht ung zu beschädigen. Partielle, nachträgliche Beschichtungen des Trägermaterials sind ebenfalls möglich, z. B. auch durch Siebdruck- oder Tampondruckverfahren oder das Aufbringen aufschäumbarer Folien. Widerstandschweißverfahren an nicht beschichteten Partien oder an der unbeschichteten Werkstoffseite sind möglich. Wie bereits oben ausgeführt ist, können auch konventionell gefertigte Strukturen in den Verbund der Karosserie integriert werden, wo dies statisch erforderlich ist, wobei eine Anbindung durch die weitere Klebemontage erfolgt. Unter Umständen müssen die Bleche zuvor mit einer Haftvermittlung grundiert werden.

Durch Punktschweißkleben an PKW-Karosserien wurden wesent liche Lebensdauerverlängerungen erzielt. Entsprechendes ist auch für die Verbindungen, die aus der Schichtenverbundbauweise heraus entstehen, zu erwarten, da hier außerdem durch die integrierende Bauweise Spannungen im Anschlußbereich der Fügestellen abge baut werden.

Wie schon oben erwähnt wurde, soll für das metallurgische Recycling die Kunststoffbeschichtung als Energieträger thermisch genutzt werden. Entsprechende Recyclinganlagen für das metallurgische Recycling von Ganzstahlkarosserien bei thermischer Verwertung der im Fahrzeug verbleibenden Reststoffe sind aktuell entwickelt worden. Eine vorhergehende sonstige Altfahrzeugdemontage zur Rückgewin nung verwertbarer Reststoffe wird vorausgesetzt.

Auch für das Recycling von beschichteten Aluminiumblechen (heute sind dies hauptsächlich innen und außen lackierte Getränkedosen) existieren bereits energetisch effiziente Anlagen, bei denen die Beschichtung zunächst abgeschwelt, die Metallfraktion dabei vorer wärmt, und die Schwelgase anschließend zum metallurgischen Recycling genutzt, daß heißt nachverbrannt werden. Diese Herdöfen mit Vorherd haben einen sehr geringen Metallverlust von nur rd. 3% und einen Energiebedarf von 5400 MJ per t Al. Bei einem unteren Heizwert von beispielsweise 44 MJ je kg Sandwichbeschichtung (entsprechend Polypropylen) ergeben sich bei einer üblichen Sand wichausführung hohe energetische Überschußerträge, die einer Kraft-Wärme-Koppelung zugeführt werden können, so daß als ein Zusatznutzen Elektrizität erzeugt werden kann bzw. Fernheizungen mit Abwärme versorgt werden können. Eine weitergehende Nutzung der Pyrolysegase aus den Kunststoffbeschichtungen kann darin bestehen, daß Kohlenwasserstoffe rückgewonnen, d. h. raffineriert, werden, die dann als Rohstoff für die Sekundärkunststoffproduktion genutzt werden, womit ein stoffliches Recycling auch der Kunststoff fraktion realisierbar wird. Während bei konventionellen Öfen 500 bis 600 kg Salzschlacke per t Sekundäraluminium aus Abdecksalzen als Abfälle anfallen, sind dies bei dem Recyclingofen mit Vorherd 120 kg.

Stoffliche Recyclingverfahren für Verbundwerkstoffe, bei denen die Kunststofffraktion abgetrennt wird, sind ebenfalls bereits im Anwendungsstadium. Die Einsparungen und der Materialgewinn aus diesen Verfahren sind jedoch aufzurechnen gegen den für sie notwendigen Energieaufwand plus der Energieeinsparung, die die thermische Verwertung des Kunststoffes bedingt. Beispielsweise werden Compact Discs (Schallplatten), die bekanntlich polycarbonat beschichtete und zusätzlich lackierte Aluminiumbleche sind, nach mechanischer Bearbeitung einer Hydrolyse zugeführt. Das so ge wonnene Regranulat kann in anderen Produktbereichen weiter verwendet werden. Bei einigen Thermoplasten, wie z. B. den hoch temperaturbeständigen PEI- und PES-Beschichtungen, ist ein Ein schmelzen der Beschichtungen möglich, so daß sich aus der Schmelze mechanisch ein Regranulat rückgewinnen läßt. Beim Recycling von Stanzabfällen durch Alkoholyse (z. B. PPO u. ä.) ist zu beachten, daß sich die Lösungsmittel auch zum Aufbau eines Naß lacksystems eignen, womit eine gleichzeitige Verwertung der Lösungsmittel als Komponente der Fahrzeuglacke erschlossen werden kann. Allgemein ist zu unterscheiden zwischen Produktions abfällen, die relativ einfach wiederaufbereitbar sind, indem sie einer stofflichen oder chemischen Verwertung (Alkoholyse/Hydrolyse) zugeführt werden, und dem Altfahrzeugrecycling. Auch hierbei ist in der Regel dem Recycling eine Shredderanlage vorgeschaltet, in deren Windsichter ein Großteil der Kunststoffbeschichtungen aufge fangen wird. Ebenso können mit Hilfe von Schwimm-Sink-Sortier ungen Kunststoffleichtfraktionen nachträglich aus dem Shreddergut abgeschieden werden, die dann stofflich verwertet werden können.

Zwischen den zwei kritischen Temperaturen, die sich zum einen dadurch ergeben, daß der Kunststoffanteil des Verbundwerkstoffes wegen seiner Verwendung im Kfz-Bereich und der deshalb erforder lichen Brandsicherheit schwer entflammbar ausgerüstet sein muß, und zum anderen durch die Schmelztemperatur des Trägermaterials des Verbundwerkstoffes, verbleibt eine ausreichende Toleranz.

In einem ersten Schritt der Anwendung der Erfindung können separierbare Teile, wie die Hauben, Kotflügel oder Türen, mit dem Verbundwerkstoff ausgeführt werden. Auch der Einbau eines so verstärkten Fahrzeugdaches oder Bodenbleches in eine ansonsten konventionell gefertigte Ganzstahlkarosserie ist unter den Gesichts punkten der Gewichtseinsparung und der positiven weiteren Material eigenschaften des Verbundwerkstoffs bereits vorteilhaft.

Der Verbundwerkstoff kann schließlich auch so ausgeführt werden, daß die Schaumschicht ein Aluminiumschaum ist. Ein vorbekanntes thermisches Treibmittel zur Ausbildung von Aluminiumschäumen ist Titanhydrid. Diese Anwendung des Verfahrens erscheint zur Zeit jedoch eher im Bereich des Flugzeugbaus als im sonstigen Fahrzeug bau technisch akzeptabel zu sein - wie auch verschiedene hier beschriebene Verfahren für den Bau von Flugzeugkabinen und unter Umständen Tragflächenstrukturen übertragbar erscheinen.

Vorteile

Die Ausführung der Fahrzeugkarosserie in Verbundbauweise und das beschriebene Herstellungsverfahren eröffnen verschiedene Vor teile in den Bereichen:

- des ökologischen Produktnutzens (I)
- der technischen Materialeigenschaften (II)
- der Produktionstechnik (III)
- und damit auch der Produktionskosten (IV)

Ökologische Vorteile

Das hohe ökologische Leistungspotential der Schichtenverbundbau weise liegt in der Vermeidung des Verbrauches endlicher Ressour cen, d. h. von Metallen und fossilen Energieträgern, und vor allem in der damit verbundenen Emissions- und Abfallvermeidung begründet. Nach ökologischer Analyse verspricht allein eine Minderung des Stoffmengendurchflusses ökologischen Nutzen. Bei der ökologischen Bewertung des Verbundwerkstoffes ist der jeweils erreichbare Leicht baufaktor zu berücksichtigen, der bereits eine Materialvermeidung und eine Minderung der Transportintensität von Rohstoffen und End produkten beschreibt.

Wesentliche Minderbelastungen durch Schadstoffe ergeben sich also sowohl durch Emissionsminderungen im Fahrbetrieb wie durch Emis sionsminderungen bei der Rohstoffgewinnung und Entsorgung.

Mit der Leichtbauweise der Karosserie entstehen sekundäre Effekte an der Antriebstechnik. Die zu erzielende Kraftstoffeinsparung resul tiert unter der Voraussetzung der Verwendung von dem geringerem Fahrzeuggewicht angepaßten Motoren nicht allein aus den geringeren Roll-, Steigungs- und Beschleunigungswiderständen. Niedrigere Motorisierungen verbrauchen per se weniger; auch die Motoren sind wiederum leichter und damit in der Herstellung weniger ressourcen intensiv. Leichtere Fahrzeuge zeigen durch die Minimierung der Totlast in der Mehrzahl der Belastungsfälle ein dynamischeres Fahr verhalten, womit eine Akzeptanz für angepaßte Antriebstechniken begünstigt wird. Weitere ökologische Sekundäreffekte entstehen unter anderem unmittelbar durch die Substitution von Schalldämmate rialien durch die Schichtenverbundbauweise.

Der Kunststoffschaum substituiert bei der Schichtenverbundbauwei se in dem erheblichen Maße Metall, in dem er zur Verringerung des Gewichtes beiträgt, plus Eigengewicht. Kunststoffen kommt als Werkstoff eine Sonderstellung zu. Der Energie-Input zu ihrer Herstel lung bleibt bis auf die Verfahrensverluste als Brennwert erhalten, im Gegensatz zu Metallen, bei denen er verlorengeht. Er ist auf das Volumen und selbst auf gleiche Steifigkeit bezogen geringer als bei Metallen. Der Energiebedarf für die Produktion eines massiven Ther moplastes beträgt im Durchschnitt volumenbezogen nur ca. 1 zu 9 in Relation zu Aluminium und ca. 1 zu 5 bezogen auf Stahl. Bei ge schäumten Kunststoffen fällt dieses Verhältnis natürlich noch um ein großes Vielfaches günstiger aus. Jeder Liter Rohöl, der als Neu material oder auch Recyclatanteil für die Produktion von Schichten verbundwerkstoff verwendet wird, enthält demnach drei zusätzliche energetische Nutzen: er spart Produktionsenergie ein, er ersetzt Primärenergie beim Recyclingprozeß und er spart Treibstoffe. Die für die Schichtenverbundbauweisen eingesetzten Kunststoffe sparen tatsächlich im Vergleich mit dem Stand der Technik ein großes Vielfaches dessen an Rohöl oder anderen fossilen Energieträgern ein, das ihre Produktion erfordert.

Mit der leichtbaubedingten Metallsubstitution wird demnach bereits ein sehr wesentliches Potential der Emissionsvermeidung durch Schichtenverbundbauweisen deutlich. Hinzu kommt, daß PP oder auch andere Thermoplaste bei der Produktion einschließlich Entsor gung (d. h. hier bei Verbrennung) eine vergleichsweise geringere Luft- und Wasserbelastung gegenüber der Produktion von Metallen verur sachen. Die entsprechenden Schadstoffbelastungen wurden im folgendem verglichen, indem die diversen Schadstoffmengen durch ihren jeweils gesetzlich zulässigen Konzentrationsgrenzwert für Atemluft bzw. Wasser dividiert und dadurch die Luft- oder Wasser menge errechnet wurde, die durch Emissionen bis zum Grenzwert belastet ist. Einer Studie des Bundesamtes für Umwelt, Wald und Landschaft² zufolge, beträgt das Verhältnis für PP volumenbezogen für die schadstoffbelastete Luftmenge: 1 zu 36,7 für PP/Al; bzw. 1 zu 20 für PP/WeißbIech; für die schadstoffbelastete Wassermenge: 1 zu 15,6 für PP/Al; bzw. 1 zu 7,5 für PP/Weißblech. Diese Werte ver bessern sich zwar bei zunehmenden Anteil von Sekundärmetallen zugunsten der Metalle, doch bleibt die ökologische Bilanzierung der Schichtenverbundbauweise auch bei steigendem Recycling positiv. So bietet deshalb auch Aluminiumschaum anstatt Kunststoffschaum keinen ökologischen Vorteil. Im Vergleich zu PP hat recycliertes Alu minium zwar nur noch einen Energieäquivalenzwert von 42,5 MJ/dm³ (Vergleichswert Stahl = 154 MJ/dm³), doch die Differenz zwischen Energieäquivalenzwert und unterem Heizwert von PP, die für einen Vergleich ausschlaggebend ist, beträgt nur 26 MJ/dm³; außerdem entstände die 3,2fache Luftschadstoffbelastung.

Ein weiterer Vorteil ist, daß natürlich auch feste Produktionsabfälle aus der Rohstoffgewinnung, die insbesondere durch Schwermetalle hoch schadstoffbelastet sind, erheblich vermindert werden, ebenso wie die ökologischen Belastungen aus der Erzförderung.

Eine sehr weitgehende Möglichkeit der Minderung von Schadstoff belastungen ergibt sich im Materialvergleich zu Aluminium. Unter der Annahme eines realistischen Leichtbaufaktors von 0,6 verursacht Aluminium im Vergleich zu Stahlblech eine über 3fache Luftschad stoffbelastung bei technisch vergleichbaren Materialanwendungen, eine 3,5fache Wasserbelastung und über die doppelte Menge an festen Produktionsabfällen (ohne Berücksichtigung des Abraumes aus der Erzförderung). Besonders bedenklich ist der überproportional hohe Anteil des Waldschadstoffes Schwefeldioxid an den Luftschad stoffemissionen, der auch nicht durch die Einsparungen im Fahrbe trieb kompensiert werden kann, sondern zu einer rd. 5fachen Mehr belastung in der Bilanzsumme aus Herstellung und Fahrbetrieb im ersten Produktzyklus führt. Daneben entstehen zusätzliche Belastun gen durch Stickoxide und weitere Schadstoffe. Dennoch weist Aluminium für den Aufbau einer ökologischen Kreislaufwirtschaft potentielle Vorteile auf, da die stoffliche Verwertung sowohl bei den Emissionswerten wie den Produktionsenergieverbrauchswerten zu wesentlicheren Verbesserungen als bei Stahl führt.

Mit der Schichtenverbundbauweise werden demnach zwei ökolo gisch vorteilhafte Entwicklungsrichtungen vorgeschlagen:

1. Schichtenverbundbauweisen mit Deckschichten aus höherfesten Stahlblechen können einerseits eine in der Rohstoffgewinnung weniger belastende Leichtbaualternative zu Vollaluminiumbauweisen darstellen und eine in etwa vergleichbare Treibstoffeinsparung im Fahrbetrieb verursachen,
2. Schichtenverbundbauweisen mit Deckschichten aus Aluminium blech können andererseits die Verfügbarkeit von umweltgerechter em Sekundäraluminium durch die weitgehende Metallsubstitution wesentlich verbessern. Eine unvertretbar hohe ökologische Basis investition, wie sie nach dem derzeitigen Stand der Technik gefordert wäre, kann so gemindert werden. Dies trifft vor allem für Anwendun gen von Schichtenverbundbauweisen mit günstigeren Deckschichten aus Al aus wasserkraftunterstützter Elektrolyse zu.

Darüber hinaus kann unter der Voraussetzung eines geschlossenen Aluminiumkreislaufes mit der Verwendung von Kunststoffen aus nachwachsenden biologischen Rohstoffen, die während ihres Wachstums CO₂ binden, perspektivisch eine mittelbar aus Solarener gie gespeiste Rohstoffgewinnung für eine Verkehrsinfrastruktur skiz ziert werden, die außerdem einen verminderten Bedarf an kineti schen Energien aufweist. Durch die Wirkungsgradsteigerung der für die Beschichtung eingesetzten Rohstoffe im Systemzusammenhang "Schichtenverbundbauweise" wird der Einsatz von Biomasse ökolo gisch akzeptabel, im Gegensatz z. B. zu einer Hydrierung und direk ten Verbrennung als Treibstoff, die ökologisch nachteilig erscheint.

Die Optimierung des Treibstoffverbrauches gewinnt natürlich beson dere Relevanz für die Minderung von Kohlendioxidemissionen. Bei der Verbrennung von 1 t Treibstoff entstehen allein 3,2 t CO₂. Schon mit Vollaluminiumbauweisen läßt sich ein Gewinn in der Kohlen dioxidbilanz aus der Rohstoffgewinnung und dem Fahrbetrieb erzielen. Eine nochmals viel wesentlichere Optimierung läßt sich mit Schichtenverbundbauweisen realisieren, da der CO₂-Eintrag durch die Kunststoffe nur gering ist. Auch mit der Steigerung des Anteiles von Primäraluminium, das mittels wasserkraftunterstützter Elektrolyse hergestellt wird, und für das wenig fossile Brennstoffe verfeuert wird, ist der Kohlendioxideintrag weiter reduzierbar.

Die folgenden Berechnungen werden auf eine Tonne Rohkarosserie oder Komponenten in Stahlblechbauweise (also 1 t Stahlblech) und ihre dementsprechenden Substitute, d. h. jeweils die technisch ver gleichbare Menge Al, Alusandwich= Al/sw, Stahlsandwich = St/sw, bezogen sein, um eine ökologische Bewertung der Werkstoffe zu ermöglichen. Als Leichtbaupotential wird für Al eine erzielbare Ge wichtseinsparung von 40%, für Al/sw von 50 bis 60% und für St/sw von 25 bis 40% angenommen. Der Schaumstoffanteil wird als feste Größe vom Volumen her mit rd. 2 m³ bestimmt. Dieses Volumen würde einer Platte von ca. 3,5 Grundflächen eines PKW mit einer Höhe von 75 mm entsprechen, und 3,5 Karosserien eines Mittel klasse-PKW wiegen ca. 1 t. Der geschätzte Schaumstoffanteil würde einem dreidimensionalen CAD-Modell eines PKW zufolge eine Ma terialdicke aller Blechaußenflächen von 30 mm erlauben, wobei die Annahme zu hoch liegt, um die Verdichtung der Integralschaum flächen und die Ausbildung der Bodengruppe zu berücksichtigen. Es wird weiterhin von einem unverdichteten Raumgewicht des Hart schaumes von 0,075 g/mm³ ausgegangen; als Kunststoff wird Poly propylenschaum angenommen. Aus diesen Annahmen ergibt sich unmittelbar ein Minderverbrauch an Metallen bezogen auf 600 kg Aluminiumkarosserie, bzw. 1 t Stahlblechkarosserie, ohne Berück sichtigung sekundärer Effekte an der Antriebstechnik, von: Al/sw 254 bis 404 kg; St/sw 177 bis 554 kg.

Ein Gewinn in der Gesamtenergiebilanz ist für Vollaluminiumbau weisen im PKW-Bau umstritten. Unter Umständen übersteigt der Mehrverbrauch an Primärenergie für die Rohstoffgewinnung die mögliche Einsparung im ersten Produktleben, so daß sich eine Einsparung erst mit der Verwendung von Sekundärmetallen ergibt. Die folgende Tabelle gibt die Energieäquivalenzwerte der unter schiedlichen Bauweisen nach Recyclingquoten (= RQ) und dem oben dargelegten Berechnungsschlüssel an.

Energieäquivalenzwert (MJ)

Bei der Recyclingquote 100% wurde eine Gutschrift von 44 MJ/kg PP für die thermische Verwertung der Kunststofffraktion berücksichtigt.

Mit Stahlsandwich läßt sich nach den obenstehenden Daten ein Energiegewinn im Vergleich zu Vollaluminiumbauweisen bereits bei der Rohstoffgewinnung erzielen, zusätzlich zur Treibstoffeinsparung. Die Alusandwichbauweise verspricht ebenfalls eine wesentliche Opti mierung und schneidet selbst bei der Beurteilung der Sekundär produktion besser ab als die Vollaluminiumbauweise.

Energieverbrauch und damit verbundene Emissionen fallen bei der Herstellung sofort an, während sich die Einsparungen im Fahrbetrieb über die gesamte Nutzungsdauer des Produktes, also im Schnitt über zehn Jahre, verteilen. Der Aufbau einer Kreislaufwirtschaft, die für Aluminium eine komplexe neue Infrastruktur erfordert, würde mehrere Dekaden in Anspruch nehmen. Bei einer vergleichenden Bewertung der Tabellen ist auch zu beachten, daß jedes Kilogramm Aluminium, das in eine so umfangreiche Neuanwendung wie den Fahrzeugbau eingeht, als Primärmaterial zu bewerten ist, während für die Stahlblechtechnologie hohe Recyclingquoten etabliert sind.

Ein sehr positiver ökologischer Effekt läßt sich darüber hinaus natürlich durch Austauschteile erzielen, die in mehreren Fahrzeugen über mehrere Produktleben hinweg verwendet werden. Hierfür sind Al-Teile besonders geeignet, doch setzt auch dieses Nutzungsmodell eine optimierte Altfahrzeugverwertung voraus.

Im folgenden werden die ökologischen Belastungen aus der Roh stoffgewinnung einzeln bilanziert. Das Modell der kritischen Mengen folgt als ein Summenparameter der oben dargestellten Schadstoffbi lanzierung nach Grenzwerten. Für die Wasserbelastung werden außerdem die Summenparameter des biologischen bzw. chemi schen Sauerstoffbedarfs angegeben.

Atm. Emissionen, kritische Menge (10⁶ m³)/ Rohstoffgewinnung

Einsparungen an Luftschadstoffbelastungen im Fahrbetrieb/Produktzyklus (10⁶m³)
Alu
283,9
Al/sw	354,9-460,9
St/sw	177,4-283,9

Einsparungen im Fahrbetrieb/1 Produktzyklus wurden berechnet mit 0,7 l bleifreies Benzin/100 km bezogen auf eine Gewichtsein sparung von je 100 kg und einer Gesamtlaufleistung von 130 000 km bei einem Verbrauch von 10 l/100 km.

Schwefeldioxid (kg)/Rohstoffgewinnung

Einsparungen von SO₂ im Fahrbetrieb/1 Produktzyklus (kg)
Alu
1,3
Al/sw	1,7-2,2
St/sw	0,8-1,3

Stickoxide (kg)/Rohstoffgewinnung

Einsparungen von NO_x im Fahrbetrieb/1 Produktzyklus (kg)
Alu
13,1
Al/sw	16,4-21,3
St/sw	8,2-13,1

Kohlenwasserstoffe (kg)/Rohstoffgewinnung

Einsparung von HC im Fahrbetrieb/1 Produktzyklus (kg)
Alu
10
Al/sw	12,6-16,4
St/sw	6,3-10

Kohlenmonoxid (kg)/Rohstoffgewinnung

Einsparung von CO im Fahrbetrieb/1 Produktzyklus (kg)
Alu
91
Al/sw	113,7-147,7
St/sw	56,8-91

Partikel (kg)

Distickstoffoxid, N₂O (g)

Aldehyde (kg)

Chloride (g)

Chlor, nur atm. Emissionen ohne Wasserbelastung durch CL₂ (g)

Fluoride, atm. Emissionen (g)

sonstige organ. Verbindungen, atm. Emissionen (g)

Teer, atm. Emissionen (g)

Feste Abfälle (kg)/ Rohstoffgewinnung

Wasserbelastung: Kritische Menge (m³)

Wasserbelastung: Biological Oxygen Demand, BOD (g)

Wasserbelastung: Chemical Oxygen Demand, COD (g)

Die ökologischen Vorteile der Schichtenverbundbauweise erschließ en sich bei einer systemischen Betrachtungsweise, wie sie die vorangestellte Schadstoffbilanzierung nahelegt. Zunächst mag es widersinnig erscheinen, die Kunststofffraktion thermisch zu verwert en, also zu verbrennen, um Luftschadstoffemissionen zu vermeiden. Dieses Unbehagen liegt jedoch in einer sektoralen Betrachtungs weise begründet, die einseitig auf die Aspekte des Recycling ausge richtet ist, nicht auf die Vermeidung bzw. Verminderung von Belastungen. Bei der Schichtenverbundbauweise besteht der ökolo gische Nutzen in der allgemeinen Reduktion bzw. der Verlangsam ung des anthropogenen Stoffmengendurchflusses im Ökosystem. Mit der Schichtenverbundbauweise wird demnach ein wesentlicher Beitrag zur ökologischen Optimierung von Verkehrsmitteln vorge schlagen.

Vorteile durch technische Materialeigenschaften

Neben den vorteilhaften ökologischen Materialeigenschaften besteh en weitere günstige technische Eigenschaften, die bereits oben erwähnt worden sind: Leichtbaueigenschaften, physikalisches Ar beitsvermögen, akustisches Verhalten, Korrosionsschutz.

Die Leichtbaueigenschaften sind in der Beschreibung ausführlich dargestellt worden.

Die durch den Leichtbau bedingten Zugewinne an Biegesteifigkeit und Biegefestigkeit werden auch in eine Verbesserung der passiven Sicherheit des Fahrzeuges münden. Leichtbaumaßnahmen im Fahr zeugbau sind also nicht allein aufgrund des umgesetzten Grades der Gewichtseinsparung zu beurteilen. Das Energieaufnahmevermögen des Schichtenverbundwerkstoffes ist zudem sowohl in Hinblick auf bleibende Verformungen, also auf das plastische Energieab sorptionsvermögen, wie auf elastisches Verhalten relativ zu Stahl blechschalen gleichen Gewichts besser.

Eine versteifte Bodenkonstruktion ist im Hinblick auf die Insassen sicherheit bei Seitenaufprall vorteilhaft. Der Seitenrahmen (2) dient der Verbesserung der Gesamtstruktur gegenüber einer Konstruktion aus Blechformteilen. Die Ausführung der Motorhaube verbessert die Fußgängersicherheit.

Bei einer Beurteilung des plastischen Verhaltens interessiert das Deformationsverhalten des Schaumkernes, insbesondere bei Sand wichstrukturen, die mit doppellagigen metallischen Deckschichten ausgeführt wurden. So wurden Verbesserungen des Crashver haltens beispielsweise bereits mit Hilfe ausgeschäumter Längsträger erzielt; es ließen sich unter anderem kontrollierte Auffaltungen erreichen. Der Verbundwerkstoff verspricht wegen der Komprimier barkeit des zähen Kunststoffhartschaums und der flächigen Verklebung der Deckschichten ein positives Materialverhalten im Crash, vor allem im Vergleich zu sonstigen Leichtbaukonstruktionen.

Ein leichteres Fahrzeug verursacht beim Crash einen geringeren Masseimpuls. Gemeinsam mit einer erhöhten Steifigkeit wird somit zwangsläufig im Hinblick auf die Insassensicherheit ein besseres Verhalten beim Aufprall auf feste Hindernisse erreicht. Beim Fahr zeugzusammenstoß sollte das leichtere Fahrzeug das steifere sein, um Kompatibilität zu erreichen. Auch diese Forderung ist durch die Schichtenverbundbauweise erfüllbar. Aktive Rückhaltesysteme zur Absorption der erhöhten Anfangsbelastungen der Insassen werden hierbei vorausgesetzt.

Die Sicherheitsvorteile werden besonders deutlich im Vergleich zu anderen mineralisch verstärkten leichten Verbundwerkstoffen mit polymerer Matrix. Sowohl CFK- wie GFK- und RRIM-Teile verhalten sich elastisch bis zum Versagen und stellen somit in Deformations bereichen eine Gefährdung dar, auch wegen der Schnittgefährdung durch die Bruchstellen. Da die vorgeschlagene Schichtenverbund bauweise sich im Kostenvergleich zu GFK-Formteilen (SMC und andere Verfahren) und RRIM-Teilen wettbewerbsfähig verhalten wird, oder sogar stückzahlenabhängig kostengünstiger ist, ergibt sich hiermit die Möglichkeit, auch Kleinserienteile (z. B. Reisebusfronten, Anbauteile, etc.) sicherheitstechnisch zu optimieren.

Die Beschichtung eines Karosseriebleches mit einer Integralschaum schicht verspricht ein sehr gutes akustisches Materialverhalten, da störende Blechresonanzen im Fahrbetrieb vermieden und andere Resonanzgeräusche an der verdichteten inneren Schaumschicht reflektiert werden. Dies ist bereits bei der Gestaltung von separaten Komponenten wie z. B. einem Fahrzeugdach oder einer Motorhaube wichtig. Ausschlaggebend ist, daß die unterschiedlichen, miteinander verbundenen Materialien unterschiedlich frequente Schwingungsbe reiche aufweisen, und daß die Schallwellen an der weniger hochver dichteten Kernschicht des Hartschaumes diffundieren. Entsprech ende Materialstrukturen werden auch für spezielle Schallschutzma terialien eingesetzt. Aber auch allein schon durch Punktschweiß klebeverbindungen wurden erhebliche akustische Verbesserungen im konventionellen Karosseriebau erzielt.

Übliche akustische Dämmaterialien, die zusätzliche Material- und Montagekosten verursachen, die sogar recht beachtlich sein können, werden somit weitgehend überflüssig.

Diese Dämmaterialien absorbieren als Totlasten zu einem erheb lichen Teil die Fortschritte im Fahrzeugleichtbau. Die zunehmende Verwendung von Schalldämmaterialien ist neben der Optimierung der passiven Sicherheit der Hauptgrund für die durchschnittliche Gewichtszunahme der Fahrzeugfolgegenerationen. Bei Mittelklasse wagen sind heute zwischen 30 und 50 kg Schalldämmaterialien Stand der Technik.

Das günstige akustische Materialverhalten führt unmittelbar zu einer sehr wertigen Qualitäts- und Materialanmutung, die sich sonst im Fahrzeugleichtbau nur schwer erreichen läßt. Leichtbaustrukturen machen oft einen instabilen Eindruck, ohne daß dies sachlich berechtigt wäre. Eine scheppernd ins Schloß fallende, leichte Fahr zeugtür oder ebensolche Hauben werden nicht akzeptiert. Der höhere technische Aufwand einer Gewichtsoptimierung steht hier tradierten Materialvorstellungen gegenüber. Der Verbundwerkstoff ist hochwertig, und dies auch in seiner subjektiven Anmutung. Hauben und Türen sind zwar leicht, fallen aber mit sattem, gedämpften Klang ins Schloß. Dort, wo der Verbundwerkstoff als Material sichtbar wird, vermittelt er durch eine dickere Materialstärke ein Bild von Stabilität. Dieser Eindruck wird durch die wertigen, in der Fahrzeugfarbe lackierten Integralschaumoberflächen unterstützt, die zudem plastisch strukturierbar sind und damit zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten bieten.

Bei Stahlblechkonstruktionen verhindern die Kunststoffbeschichtung an den innenliegenden Seiten und die ausgeschäumten Holme Korrosion - bei Konstruktionen auf Leichtmetallbasis ist die Kor rosionsbeständigkeit sowieso gegeben. Bei Mischkonstruktionen muß eine elektrolytisch bedingte Kontaktkorrosion ausgeschlossen werden. Auch hierzu eignet sich die Klebemontage durch die aufschäumende Kunststoffbeschichtung sehr gut. Eine weitere günstige Materialeigenschaft des Verbundwerkstoffes ist die Anpassungsfähigkeit des Materials an die unterschiedlichen lokalen Belastungen und Anforderungen im Karosseriebau. So ist die Steifigkeit durch die Auswahl der Kunststoffbeschichtung und durch die Materialstärke der Aufschäumung einstellbar. Genauso ist die Elastizität der Schicht bis hin zu Weichschäumen variierbar. Gegen über Leichtbaukonstruktionen, bei denen die Fahrzeugaußenhaut aus Kunststoffen besteht, ist die elektrische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffes von Vorteil. Einerseits lassen sich herkömmliche elektrische Anlagen installieren, bei denen die Karosserie als Mas seleiter dient, und andererseits bleibt ein Blitzschutz gewährleistet.

Produktionstechnische Vorteile

Schließlich bietet das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Fahrzeugkarosserie wesentliche produktionstechnische Vorteile:

1. Gegenüber einer herkömmlichen Karosseriemontage ist das Verfahren rationeller, da nicht in Folge Blechformteile Stück für Stück in Punktschweißtechnik assembliert werden, sondern eine gleich zeitige Montage komplexer Gefüge in nur einem Werkzeug erfolgt. Das Verfahren beinhaltet ein großes Ratiopotential insbesondere in Hinblick auf bereits mechanisierte Vorgänge. Beim Fügen entstehen im gleichen Produktionsschritt Karosseriekomponenten in Schicht enverbundbauweise.
2. Eine weitere sehr wesentliche produktionstechnische Verbes serung ist in der einfacheren Umformbarkeit dünnerer, kunststoffbe schichteter Platinen mit geringeren Preßdrücken und weniger stand festen, kostengünstigen Werkzeugen begründet, wobei die Umform technik und der Werkzeugbau Vereinfachungen zulassen - potentiell bis hin zu gegossenen Werkzeugen.

Es werden weniger Blechformteile als bei der doppelschaligen Scha lenbauweise benötigt, die weniger stark umgeformt (z. B. verprägt) sind. Die im Werkzeug fixierten Blechformteile können bei der Montage nicht verziehen; d. h. auch große freitragende Teile sind montabel, die durch die Hinterschäumung mit Integralschaum schichten oder im Fall der Ausbildung von belasteten Strukturen als doppellagiges Sandwichteil stabilisiert werden. Aufwendige Richtar beiten entfallen somit. Die vorhandenen Anlagen, d. h. Montage roboter und Umformpressen, können genutzt werden. Das neue Verfahren nutzt Anlagen und Arbeit hierbei rationeller; die Taktzeiten sind durch die Integration vieler Werkteile in nur einen Montage vorgang kürzer und der Flächenbedarf geringer.

Baugruppen können vereinfacht modular vorgefertigt werden. In einem einzigen temperierten Werkzeug können beispielsweise mehr ere Komponenten wie Klappen, Türen, etc. in einem Fertigungsgang hergestellt werden. Die Werkzeuge, in denen aufgeschäumt wird, müssen auf keinen hohen Innendruck ausgelegt werden, sondern nur auf den sehr geringen Schäumdruck; Fließwege des Kunststoffes müssen nicht beachtet werden. Der Werkzeugaufwand bleibt also äußerst gering. Die Werkzeugzykluszeiten können analog zu den RIM- oder TSG-Verfahren mit 2 bis 6 Minuten Standzeit ohne Rüstzeiten für die Werkzeugbestückung angenommen werden; und dies ist z. B. dann eine Standzeit für jeweils eine Bodengruppe, Rohkarosserie oder einen Türensatz. Die Rüstzeiten liegen wegen der geringeren Teileanzahl und der Teilefixierung im Werkzeug unterhalb derjenigen für die Punktschweißmontage.

Bei der Alusandwichbauweise senken Profile, die zugbelastete Struk turen unterstützen, als Zulieferteile die Fertigungstiefe und sind bei niedrigen Werkzeugkosten schnell verfügbar. Die Klebeverbindun gen durch die aufschäumenden Beschichtungen erlauben Konstruk tionen mit hohem Integrationsgrad.

Die sekundären. Einspareffekte verursachen darüber hinaus zusätz liche Aufwandsminderungen. Sie werden auf 50 Gewichtsprozent der primären Effekte geschätzt, die an der Fahrwerks- und Antriebs technik einzusparen sind. Dem entspricht eine Materialkosten senkung in gleicher Höhe und eine weitere Produktionskosten reduzierung. Hinzu kommen die Substitution von kostenintensiven Schalldämmaßnahmen und -materialien, und der weitgehende Entfall von Korrosionsschutzmaßnahmen.

Kostenvorteile

Die erheblichen Kostenvorteile, die das Verfahren verursacht, sind in den angeführten produktionstechnischen Vorteilen begründet. Die Produktion wird kleiner und schneller. Das Verfahren ist mechanisier bar. Es eignet sich für Großserienproduktionen, doch auch kleinere und mittlere Serien können vergleichsweise wirtschaftlicher gefertigt werden.

Der Gewichtsanteil der Rohkarosserie aus relativ kostengünstigem Stahlblech am gesamten Fahrzeugleergewicht macht heute zwischen 20 bis maximal 30% aus. Eine Steigerung des Materialkostenanteils der Rohkarosserie in Sandwichbauweise könnte eine Produktions kostensenkung teilweise oder ganz absorbieren, obwohl letzteres im Hinblick auf die aufgezeigten Ratiopotentiale als sehr unwahrschein lich erscheint.

Setzt man für das Material Stahl den Kostenfaktor 1 ein, läßt sich für Aluminium, AlMgSi-typ der AA-Sechstausenderreihe, heute ein Faktor von 5 und für Kunststoffschaum ein Faktor von 3 annehmen. Damit ergibt sich also die folgende Materialkostenstruktur: Stahl = 1; Alu = 3; Al/sw = 1,4 bis 2,2; St/sw = 0,9 bis 1. Angesichts der sekundären Effekte liegt der voraussichtliche Breakeven für Leicht baukarosserien aus Aluminium bzw. Stahlsandwich bei einem Materialkostenfaktor von minimal 1,25 und für die effizientere Alusandwichbauweise wahrscheinlich bei <1,5. Falls das Material der Alusandwichbauweise Mehrkosten verursacht, werden sie durch die Produktionskostensenkung kompensiert. Bei der Stahlsandwich bauweise ergibt sich von vornherein ein Gewinn bei den Material kosten von ca. 0,3 bezogen auf den Materialkostenfaktor 1, so daß auch die Produktionskostensenkung in voller Höhe zu Buche schlägt. Die Kostenbedingungen für Alusandwich verbessern sich mit fort schreitender Verfügbarkeit von Recyclingaluminium. Die Energie kosten beim Montageprozeß sind geringer als beim konventionellen Widerstandschweißen mit drei- bis viertausend Schweißpunkten pro Karosserie; dito die Transportkosten für die Rohstoffe.

Die einfachere Produktionstechnik wirkt rückbezüglich auf die Konstruktion: es werden schnellere Variantenbildungen in der Kon struktion ermöglicht, die kostengünstiger realisierbar sind.

Bei Kosten/Nutzenrechnungen für Leichtbauweisen mußten bisher immer Kostenerhöhungen unterstellt werden, die es durch Treib stoffeinsparungen aufzufangen galt. Mit der Schichtenverbundbau weise kann ein ökonomischer Nutzen dem Fahrer unmittelbar entstehen, ohne Vorleistungen.

¹) Leichtbaupotentiale nach: H. H Atzorn, J. Wiedemann, ILR-Mitt. 140 (1984): Analyse der Leichtbautechnologien des Flugzeugbaus auf ihre Anwendbarkeit im Automobilbau (Hrsg. Institut für Luft- und Raumfahrt der TU Berlin)
²) Berechnungen der ökologischen Problemstoffe nach: K. Habersatter, F. Widmer (Hrsg. Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL)), Oekobilanz von Packstoffen - Stand 1990, Bern 1991

Claims

1. Fahrzeugkarosserie, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Rohkarosserie (1) und/oder einzelner Baugruppen der Fahrzeugkarosserie ein Verbundwerkstoff ist, und daß die Fahrzeug karosserie in einer weitgehend selbsttragenden, doppelschaligen Bauweise ausgeführt wird, bei der die außenliegenden Formteile, die die Außenflächen der Rohkarosserie (1) bzw. des Fahrzeugs aus bilden, Formteile aus dem Trägermaterial des besagten Verbund werkstoffs sind, einem Stahl- oder Aluminiumblech, und die verstär kenden Formteile der innenliegenden Schalen wiederum Formteile aus diesem Trägermaterial sind, und, daß diese Formteile jeweils mit den kunststoffbeschichteten Seiten zueinanderliegen, bzw. an Auflageflächen aufeinanderliegen, in dieser Lage mechanisch fixiert und durch Erwärmung miteinander verbunden werden, indem die Kunststoffbeschichtung des Trägermaterials bei der Erwärmung eine thermoplastische Hartschaumschicht ausbildet, wobei die Hart schaumschichten an den Auflageflächen eine Verklebung der Formteile bewirken, und dort, wo die Formteile Hohlkörper ausbilden, miteinander verschmelzen und die Hohlräume ausfüllen.

2. Fahrzeugkarosserie nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hartschaumschichten in Bereichen, an denen sich keine verstärkenden inneren Formteile befinden, als Integralschaum schichten ausgebildet werden, die zu einer geschlossenporigen, lackierfähigen Oberfläche verdichten, indem die Kunststoffbeschich tung beim Aufschäumen die Kontur eines Werkzeuges abformt, das zu diesem Zweck gekühlt sein kann, und daß zur Montage der Fahr zeugkarosserie die innenliegenden und außenliegenden Formteile in dieses Werkzeug eingelegt werden, das gleichermaßen der Fixierung der Formteile beim Aufschäumen der Kunststoffbeschichtungen, wie der Ausbildung der Integralschaumschichten dient.

3. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Werkzeug, das der Ausbildung der Integralschaumschichten dient, Vorrichtungen integriert sind, die als Stanzen zum Druckfügen bzw. Durchsetzfügen geeignet sind, und/oder zum Setzen von Stanznieten oder zum Setzen anderer Nieten geeignet sind, und beim Schließen des Werkzeuges auf die Flansche der Werkteile wirken und die Auflageflächen zusätzlich zu der Verklebung miteinander verbinden.

4. Fahrzeugkarosserie nach den vorangestellten An sprüchen und insbesonders Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Klebschweißverbindungen dadurch herstellbar sind, daß an Druckfügestellen, an denen die plastifizierte Kunststoffbeschichtung weitgehend verdrängt worden ist, zusätzlich mittels Widerstand- oder anderen Verfahren verschweißt wird.

5. Fahrzeugkarosserie nach Anspruch 1 bis Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den tragenden Verbund der Fahr zeugkarosserie konventionell gefertigte Strukturen aus Blechform teilen, bzw. miteinander verschweißten Blechformteilen, einbringbar sind, deren Anbindung durch die Klebemontage mittels der auf schäumenden Kunststoffbeschichtung des Verbundwerkstoffes er folgt.

6. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlkörpern vor dem Aufschäu men vorgeformte Hartschaumkerne eingelegt werden, die mit der aufschäumenden Kunststoffbeschichtung verkleben.

7. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den statischen Verbund der Karosserie Längs- oder Querträger eingebracht werden, die strang gepreßte Leichtmetallprofile (3) sind, indem sie mit dem Verbund werkstoff mittels der aufschäumenden Kunststoffbeschichtung verklebt werden, und/oder mit Formteilen aus dem Verbundwerk stoff durch Verfugung verbunden werden.

8. Fahrzeugkarosserie nach den vorangestellten An sprüchen und insbesonders Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetallprofile (3) nach dem Einbringen des Träger materials des Verbundwerkstoffes in die Verfugungen dergestalt partiell umgebogen werden, daß sich eine verpreßte Verbindung ergibt, die nach dem Aufschäumen einer zusätzlich verklebten Verbördelung der Profile mit dem Blech entspricht.

9. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß Karosserieteile aus dem Verbundwerk stoff mit anderen Karosserieteilen oder Profilen (3A), die z. B. als Längs- oder Querträger ausgebildet sind, dadurch verbunden werden, daß die Karosserieteile und ggf. Profile ineinandergreifende Verfugungen aufweisen und mit dauerelastischen Bauteilen (7) befestigbar sind, die in diese Verfugungen eingreifen und die Werk teile miteinander verklemmen, wobei die dauerelastischen Bauteile (7) durch die Einbringung eines weiteren Bauteiles, z. B. einer Keilleiste (8), in den entsprechenden Verfugungen verspannt werden.

10. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß Teile der Fahrzeugkarosserie, wie z. B. die Seitenteile (2), die die Türrahmen mit dem Türanschlag ausbilden, Druckgußformteile aus Leichtmetallen sind, die mit dem Verbundwerkstoff mittels der aufschäumenden Kunststoffbeschich tung verklebt werden oder gemäß Anspruch 8 verbunden und/oder verschraubt bzw. vernietet werden.

11. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenverkleidung aus Kunststofform teilen besteht, die an der Karosserie befestigt werden, indem sie an Profilen, die ihrerseits mittels der aufgeschäumten Kunststoffbe schichtung verklebt sind, in hinterschnittige Verfugungen der Profile aufschiebbar oder anclipsbar sind, und/oder, indem die Kunst stofformteile an eingeschäumte Befestigungsteile mittels Schraub montage oder Clipsmontage befestigbar sind.

12. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß lackierte Teile aus Trägermaterial des Verbundwerkstoffs in einer der in den Ansprüchen 6 und 8 voran gehend beschriebenen Weisen montierbar sind, und daß diese lackierten Teile mit Teilen der Innenverkleidung, wie z. B. dem Fahr zeughimmel, beim Aufschäumen verkleben können.

13. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug bei der Verwendung von Stahlblechen durch eine elektromagnetische Induktion hochfre quenter Wechselfelder, oder allgemein durch die Aufheizung in einem Ofen, vorzugsweise in einem Ofen oder einer Wärmekammer nach dem Umluftprinzip, und/oder durch lokale Heizspiralen erfolgt und die Treibgase der thermischen Treibmittel in einem geschlos senem System abgeführt und entsorgt werden, vorzugsweise indem sie zur Erzeugung der Prozeßwärme verbrannt werden.

14. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Fahrzeugkomponenten mit mecha nisch montierbaren, selbsttragenden Deckblättern (15) verkleidet sind, die aus dem Verbundwerkstoff bestehen und die mit einer einseitigen, innenliegenden Integralschaumschicht versehen sind, und/oder daß selbsttragende Fahrzeugkomponenten aus dem Ver bundwerkstoff mit der restlichen Fahrzeugstruktur demontabel verbunden sind.

15. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in die Fahrzeugstruktur Austauschteile integriert sind, die über mehrere Produktnutzen verwendbar sind, und die vorzugsweise als Al-Strangpreßprofil (13) ausgeführt sind.

16. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorderwagen und die Bodengrup pe als Sandwichstrukturen mit doppellagigen metallischen Deck schichten und die sonstigen anschließenden Baugruppen der Karosserien in Verbundwerkstoff mit asymmetrischer Integral schaumbeschichtung ausgeführt sind.

17. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroverkabelung vormontiert wird, dergestalt, daß sie in Sandwichbauteile mit doppelten Deckschichten, die mit dem Verbundwerkstoff ausgebildet werden einschäumbar ist, und/oder mit der aufschäumenden Kunststoffbe schichtung verklebt und/oder in Hohlkammern von verstärkenden Strangpreßprofilen vor der Montage der Rohkarosserie eingebracht wird, und daß die Kontakte der elektrischen Verbraucher zu diesen Leitungen, bzw. Leiterbahnen, die vorzugsweise aus Al gefertigt sind, durch Steckverbinder herstellbar sind.

18. Fahrzeugkarosserie nach den Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststofffraktion des Verbund werkstoffes als Energieträger für den Schmelzprozeß beim stofflichen Recycling der Metallfraktion des Verbundwerkstoffes verwertbar ist.