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23.03.2017

Der Wert des gesparten Kilogramms

Leichtbau-Praxis mit Hochleistungskunststoffen bei Porsche

In Vertretung von Motorsportchef Dr.-Ing. Frank-Steffen Walliser zeichnete Dipl.-Ing. (FH) Christoph Bauernfeind, Leiter Motorsport Karosserieentwicklung GT-Fahrzeuge bei Porsche in Weissach, während des 25. Stuttgarter Kunststoffkolloquiums den Weg der Hochleistungskunststoffe vom Motorsport in die Serie beim schwäbischen Sportwagenhersteller nach. Dabei konnte er auf Leichtbau-Beispiele aus einer mittlerweile rund einem halben Jahrhundert umfassenden Faserverbund-Tradition zurückgreifen: Das Porsche-Museum zeigt als ersten Meilenstein die Glasfaser-Karosserie der 908 Coupé von 1969.

  • Christoph Bauernfeind: Der Leiter Motorsport Karosserieentwicklung GT Fahrzeuge von Porsche hielt den Eröffnungsvortrag beim 25. Stuttgarter Kunststoffkolloquium (© Hanser/K.Klotz)

    Christoph Bauernfeind: Der Leiter Motorsport Karosserieentwicklung GT Fahrzeuge von Porsche hielt den Eröffnungsvortrag beim 25. Stuttgarter Kunststoffkolloquium. Im Rennsport-Outfit ist er am Ende der Bildergalerie zu finden (© Hanser/K.Klotz)

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  • Christoph Bauernfeind, Leiter Motorsport Karosserieentwicklung GT Fahrzeuge von Porsche (© Porsche)

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Kostenlimit für Einsparungen

Wichtiges Kriterium für die Entscheidung über Werkstoffe sind die Mehrkosten, die ein Kilogramm Gewichtseinsparung pro Fahrzeug verursachen würde. So hätte eine Luftsammelschale für den 918 Spyder in CFK-Ausführung 1,24 kg weniger auf die Waage gebracht (2,24 statt 3,48 kg) als bei Verwendung von PA66GF30. Einschließlich der etwas geringeren Werkzeugkosten hätten Carbonfasern aber zu einem Mehraufwand von rund 1300 EUR bei jedem der produzierten 918 Exemplare geführt. Weil das selbstgesetzte Kostenlimit für die Gewichtseinsparung in diesem Fall bei 1000 EUR pro Kilogramm lag, fiel die Wahl letztlich auf das Spritzguss statt CFK.

Dabei ist das Kostenlimit für die Gewichtseinsparungen keine fixe Größe: Es kommt auf die Position des Bauteils im Fahrzeug an, da die Konstrukteure generell den Fahrzeugschwerpunkt niedrig halten und die Gewichtsverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse richtig ausbalancieren müssen. Daher wird bei hecklastigen Fahrzeugen „hinten oben“ mehr für Leichtbau investiert als „vorne unten“, wie Bauernfeind sagte.

Ins Kalkül gezogen werden muss vor allem bei Karosseriebauteilen aber auch die Oberflächenqualität. „Wenn eine Extra-Lackierung nötig wird um eine Class-A-Qualität zu erreichen, hätte man am Ziel vorbei entwickelt“, so der Leiter Motorsport-Karosserieentwicklung, da auch der Lack zum Gewicht beiträgt und natürlich Kosten verursacht.

Crash- und Crush-Simulationen

Eine der Kernkompetenzen der Motorsport-Karosserieentwicklung liegt in der Berechnung von Faserverbundbauteilen. Dabei geht es darum, das Versagen z.B. von CFK-Bauteilen mit maximal hoher Güte zu prognostizieren, um später in der Entwicklung möglichst mit nur einem realen Crash-Test auszukommen. Um die Verletzungsgefahr für Fußgänger bei Kollisionen mit dem Fahrzeug möglichst gering zu halten, sind Simulationen des Kopfaufschlags auf die Fronthaube nötig. Dabei ist weder ein „Trampolineffekt“ (Kopf schnellt zurück) erwünscht noch sollte ein Loch in der Haube entstehen.

Das Versagen des Verbundwerkstoffs beim Aufprall, bei dem CFK in kleine Elemente zerbirst, untersucht man mit sogenannten Crush-Berechnungen und -Versuchen. Neue Fertigungsverfahren erfordern dabei eine ständige Weiterentwicklung der Berechnungsmethodik. Porsche leitet aus seinen Simulationen Materialkarten ab, wobei sich der Sportwagenhersteller darauf spezialisiert hat, die Berechnungen auf Basis einzelner Faserlagen zu organisieren, was zwar einen höheren Aufwand bedeute, aber bessere Ergebnisse liefere.

Hochleistungsfüllstoffe

Bei seiner Aufzählung von Leichtbau-Meilensteinen verwies Bauernfeind auf den erstmaligen Einsatz von Kunststoff bei einem Bremspedal im 918 Spyder . Noch aktueller (und daher nächste Woche auf VDI-Tagung in Mannheim zu sehen) ist die Verwendung von Carbonfasern und Mikro-Hohlglaskugeln als Hochleistungsfüllstoffe für geschäumte Systeme , bei denen sich auf diese Weise Gewichtsreduktion von bis zu 30 % erzielen lassen. Erstmals sei damit ein PUR-RIM-System leichter als herkömmliche PP-Systeme, wobei der Füllstoff-Volumenanteil sogar 25 % gegenüber nur 6 % bei Standard-PUR-RRIM betrage.

Dr. Karlhorst Klotz, Redaktion

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Unternehmensinformation

Universität Stuttgart Institut für Kunststofftechnik

Pfaffenwaldring 23
DE 70569 Stuttgart
Tel.: 0711 685-85317

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