Leichtbau und ökologisches Design bei Elektrofahrzeugen

Projektziel: mehr Reichweite und geringeres Gewicht dank Multimaterial-Plattform

Um die Effizienz und Reichweite von Elektrofahrzeugen zu verbessern, wurde das Gewicht des Gesamtfahrzeugs reduziert. Darüber hinaus erfordern die bevorstehenden strengeren EU-Vorschriften die Optimierung des Produktionsprozesses hin zu einer nachhaltigeren Kreislaufwirtschaft – hier wurde der gesamte Lebenszyklus der Fahrzeuge und die Lieferketten in den Blick genommen. Gemeinsam haben die Unternehmen und Forschungseinrichtungen dabei auch am nachhaltigen Lebenszyklus einer E-Fahrzeugplattform gearbeitet. Dazu zählen das intelligente Recycling und mögliche Optionen einer Materialrückgewinnung.

Das Projekt hat ganz konkrete Ziele definiert: Um den Herausforderungen gerecht zu werden, hat ALMA eine neuartige batterieelektrische Fahrzeugstruktur für einen PKW entwickelt, wodurch eine Gewichtsreduktion der Fahrzeugstruktur von über 20 Prozent im Vergleich zur aktuellen Basislinie erzielt wurde – bei vergleichbaren Kosten. Zu diesem Zweck entwickelten die Forschenden gemeinsam eine modulare Multimaterial-Plattform, die auf eine Kombination aus Advanced High Strength Steels (AHSS, hochfester Stahl), Advanced-SMC und Stahl-Hybrid-Materialien setzt und sich auf Multiskalen-Modellwerkzeuge stützt.

Projektfortschritt: kurz vor der Ziellinie

Zur Verwirklichung der Projektziele wurden Arbeitspakete gebildet, in denen alle Beteiligten diverse Lösungsansätze erarbeitet, simuliert und realisiert haben. Vier dieser Pakete sind:

• Werkstoffe (hochfeste Stähle und Verbundwerkstoffe)
  Die (Weiter-) Entwicklung modernster Werkstoffe hat erhebliche Masseneinsparungen bei vergleichbarer Crash-Performance erzielt.
  
  
• Ganzheitliches Multifunktions-Ökodesign
  Die Entwicklung der vielversprechendsten Multi-Material-Struktur für Fahrzeuge ermöglicht eine kostengünstige Gewichtsreduzierung bei höchstmöglicher Leistung.
  
  
• Recycling und Verwertung
  Lösungen für das Recycling und die Rückgewinnung der verwendeten Materialien wurden erarbeitet und getestet.

• Experimentelle und modellbasierte Charakterisierung
  Unser Beitrag zu dem Projekt umfasste die numerische Modellierung von SMC-Materialien, deren Steifigkeit und Festigkeit von der Faserverstärkungsrichtung abhängen. Eine präzise Vorhersage der Materialeigenschaften durch genaue Simulationsmodelle ermöglicht es dem/der Konstrukteur:in, den Materialeinsatz zu optimieren und zu minimieren.
  Das Tool FLUID wurde auf den SMC-Herstellungsprozess erweitert. Die Vorhersage der Faserorientierungsverteilung wurde mittels CT-Analysen der Mikrostruktur von SMC-Materialien validiert.
  Das von uns entwickelte Simulationstool FeelMath wurde dazu eingesetzt, Vorhersagen über das mechanische Verhalten von aus SMC gefertigten Bauteilen abhängig von der Faserorientierung zu treffen. Gleichzeitig wird der zur Modellkalibrierung notwendige experimentelle Aufwand so gering wie möglich gehalten. Mithilfe einer dreistufigen Multiskalenmethode haben wir Materialkarten für kommerzielle FE-Tools kalibriert. Ausgewählte Tests auf Bauteilebene validieren die Genauigkeit des auf diesem Weg erhaltenen Materialmodells. Schließlich hat das Team die Modelle für die virtuelle Validierung des Crashverhaltens von Kunststoffbauteilen eingesetzt, die vom Projektpartner BATZ als Ersatz für Stahlbauteile entwickelt wurden.

All diese Ansätze haben zu der bemerkenswerten Gewichtsreduktion von 160,5 kg im Konzeptfahrzeug geführt, was einer Gewichtseinsparung von 22 Prozent im Vergleich zum BEV-Basisfahrzeug entspricht. Damit ist das Projektziel einer Gewichtsreduzierung von über 20 Prozent erfüllt worden.

Unsere Kooperationspartner

• Automotive Technology Centre of Galicia, CTAG (Spanien) übernimmt die Projektleitung und Materialcharakterisierung.
• ArcelorMittal Maizières Research, AMMR (Frankreich) widmet sich der Entwicklung von modernen Stählen für Automobilanwendungen.
• Die Ford-Werke (Deutschland) bearbeiten das Projekt aus der Perspektive der Endanwendung und CAE-Analyse.
• Innerspec Technologies Europe (Spanien) bringt Lösungen für die zerstörungsfreie Prüfung ein.
• BATZ S. Coop. (Spanien) ist als Automobilzulieferer mit an Bord.
• RESCOLL (Frankreich) ist spezialisiert auf Klebstoffe und Polymere.
• Die Forschungsorganisationen TNO (Niederlande) erarbeitet das Live Cycle Management gemeinsam mit der International Solid Waste Association, ISWA.
• Die International Solid Waste Association, ISWA (Niederlande) hat sich zum Ziel gesetzt, nachhaltige Abfallwirtschaft den Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft zu fördern.

Projektlaufzeit

Das Projekt war auf drei Jahre angelegt und lief von Februar 2021 bis Februar 2024.

ALMA wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr.: 101006675 gefördert.