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Alt 25.04.2006, 20:05     #11
Hermann   Hermann ist offline
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BMW Werkstoffe: Integriertes Know-how von der Forschung bis zur Fertigung.

Höchste Funktionalität auf leichte Art: Intelligente Materialentwicklung im Karosserie- und Motorenbau.

Der BMW 5er ist ein Phänomen: Er ist spürbar dynamischer als das Vorgängermodell, er bietet mehr Platz im Innenraum und überzeugt mit einer erheblich umfangreicheren Komfort- und Sicherheitsausstattung. Dennoch wurde in einer Disziplin kein Wachstum erzielt. Im Gegenteil: Der BMW 5er ist je nach Modell um bis zu 75 Kilogramm leichter als sein Vorgänger. Dass es den Fahrzeugentwicklern gelang, die Gewichtsspirale zu durchbrechen, ist vor allem dem gezielten Einsatz moderner Materialien mit entsprechenden Konzept-, Konstruktions- und Verfahrensfortschritten zu verdanken. Damit dies auch in Zukunft gelingt, suchen die Spezialisten aus dem Bereich Betriebsfestigkeit und Werkstoffe im Münchner Forschungs- und Innovationszentrum (FIZ) permanent und für jedes Bauteil nach den am besten geeigneten Werkstoffen und entwickeln die dazugehörigen Herstellungsverfahren. Ihr Know-how ist stets aufs Neue gefordert, denn einen für alle Einsatzzwecke und jedes Modell perfekt geeigneten Werkstoff kann es nicht geben. Vielmehr ist ein intelligenter Materialmix gefragt. Abgestimmt auf das jeweilige Fahrzeugkonzept und seine Anforderungen forschen die Spezialisten für jedes Bauteil nach dem richtigen Werkstoff. Dabei entwickeln sie teilweise neuartige Materialien, die unterschiedliche Vorzüge in einer bisher unbekannten Weise miteinander verbinden. Im Idealfall weist jeder neue Werkstoff nicht nur eine gesteigerte Funktionalität, sondern auch eine maximale Belastbarkeit und Langlebigkeit sowie ein optimiertes Gewicht auf.

Neben dem Wunsch nach mehr Komfort und neuen Funktionalitäten sind auch gesetzliche Bestimmungen – etwa auf dem Gebiet der Sicherheit oder der Abgasreinigung – immer wieder Auslöser für eine Gewichtszunahme bei modernen Fahrzeugen. Für BMW ist dies ein Grund mehr, dem allgemeinen Trend zu immer größeren und attraktiveren, zugleich aber auch immer schwereren Automobilen ein intelligentes Konzept entgegenzusetzen: So wird bei BMW zusätzliche Dynamik mit weniger Verbrauch, geringeren Emissionen und einem reduzierten Gewicht kombiniert. Das sind die Zielsetzungen, von denen die Entwicklungsstrategie der effizienten Dynamik bestimmt wird.

Mit neuen Materialien lassen sich in nahezu allen Bereichen des Automobils Gewichtsvorteile erzielen. Mit hochentwickelten Metalllegierungen kann – wie das Beispiel von Trägern aus hoch- und höchstfestem Stahl zeigt – die Belastbarkeit der Bauteile mit erheblich geringerem Materialeinsatz auf das erforderliche Niveau gebracht werden. Selbst die Tatsache, dass einige besonders leichte Metalle neben ihren Vorzügen auch negative Eigenschaften aufweisen – etwa Empfindlichkeit gegenüber Wasser –, hält die Entwicklung nicht auf. Mit speziellen Fertigungsverfahren und völlig neuartigen Verbundtechniken werden die Charakteristika der ausgewählten Werkstoffe optimiert. So besteht beispielsweise die Leichtbau-Bremsscheibe des neuen BMW 5er aus einem Grauguss-Reibring und einem Aluminium-Innentopf. Aus Gründen der Verschleißbeständigkeit und der Wärmekapazität bleibt Grauguss als Material für den Reibring erste Wahl. Jedoch kann mit der Verwendung von Aluminium für den Innentopf das Gewicht reduziert werden. Der damit verbundene Fertigungsaufwand zahlt sich aus: Da die Bremsscheiben zu den ungefederten Massen gehören, trägt die Gewichtsoptimierung an dieser Stelle erheblich zur Steigerung der Fahrdynamik bei.

Auch die Entwicklung von Kunststoffen hat, beeinflusst von neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen und intensiver praxisorientierter Forschung, an Dynamik gewonnen. Die Einsatzmöglichkeiten für Kunststoffe konnten mithilfe von weiterentwickelten Werkstoffsystemen und prozessoptimierten Verfahren erweitert werden, weil sich die Vielfalt der in diese Kategorie einzuordnenden Materialien rasant erhöht hat. Für nahezu jeden Einsatzzweck können synthetische Werkstoffe entwickelt werden, deren Eigenschaften exakt auf die Anforderungen des später daraus zu fertigenden Bauteils abgestimmt werden.

Die Natur macht es vor: Optimale Strukturen für weniger Gewicht.

Bei ihrer Forschungs- und Entwicklungsarbeit lassen sich die Spezialisten von BMW immer wieder von der Natur leiten. Wer beispielsweise die Struktur von Pflanzen oder den Aufbau des Bewegungsapparats bei Säugetieren und Vögeln betrachtet, stellt fest, dass die Evolution erstaunliche Muster für effizienten Materialeinsatz hervorgebracht hat. Sie können zwar niemals eins zu eins kopiert werden, dienen aber dennoch oft als Vorbild und Inspiration für technische Innovationen. Es lohnt sich, die Oberflächenstrukturen von Pflanzen, die flexible Ausformung von Knochen oder auch die in der Natur vielfach perfektionierte Konzentration von Material an hoch belasteten Stellen genauestens zu analysieren, um daraus Anregungen für die Entwicklung neuer Werkstoffe zu gewinnen.

Die Hohlstruktur von Vogelfederkielen dient beispielsweise als natürliches Vorbild für die Metallfertigung. Sie animierte die Spezialisten von BMW zu der Verfahrenstechnik Innenhochdruck-Umformung (IHU). Dabei werden Metallrohre zunächst gebogen und anschließend in ein Umformwerkzeug eingelegt. An beiden Rohrenden wird dann unter hohem Druck ein Hydraulikfluid oder Luft eingepresst, bis das Metall die Kontur des Werkzeugs angenommen hat. Diese Fertigungstechnik ermöglicht Bauteilgeometrien, die den jeweils vorhandenen Bauraum optimal nutzen und außerdem Gewicht sparen. Die im IHU-Verfahren entstandenen Bauteile sind – ähnlich wie Vogelfederkiele – robust, leicht und zugleich flexibel.

Ein weiteres natürliches Prinzip wird bei der Fertigung der Instrumententafel für den neuen BMW 3er genutzt. Beim Spritzguss-Integralschäumen werden der Kunststoffschmelze Treibmittel zugesetzt, die – ähnlich wie Hefe im Kuchen – unter Hitzeeinfluss Gas freisetzen. Um diesen Effekt zu nutzen, wird die mit Kunststoffschmelze gefüllte Werkform um einen exakt definierten Hub geöffnet, sobald die Oberfläche des Bauteils erstarrt ist. Dabei fällt der Druck im noch flüssigen Inneren des Bauteils ab und das Gas kann die Kunststoffschmelze aufschäumen. Die so gefertigte Instrumententafel ist um rund 20 Prozent leichter als herkömmliche Armaturenbretter gleicher Größe.

Einzigartig: Fahrzeug-Unterbodenverkleidung mit vielen Funktionen.

Die vollflächige Verkleidung des Unterbodens beim BMW 5er bewirkt eine erhebliche Verbesserung der Aerodynamik. Sowohl der Luftwiderstand als auch die Auftriebskräfte sind auf diese Weise reduziert worden. Ebenso bemerkenswert ist der Werkstoff, der für die Abdeckungen verwendet wird. Low Weight Reinforced Thermoplastics (LWRT) sind das Ergebnis eines Entwicklungsprozesses, bei dem die Gewichtsreduzierung bei mindestens gleich bleibender Funktionalität erfolgreich für den Kunden umgesetzt wurde. Gegenüber den zuvor üblichen Kunststoffverkleidungen fallen die neuen LWRT-Verkleidungen um rund 30 Prozent leichter aus. Zusätzlich wurden die akustischen Eigenschaften und der Schutz vor Wasser und Steinschlag verbessert.

Das neue LWRT-Material besteht aus zwei Komponenten. In einem speziellen Verfahren wird eine Kernschicht aus glasfaserverstärktem Thermoplast beidseitig mit einer Thermoplastfolie versiegelt und bildet so zunächst ein flächiges, so genanntes Halbzeug – also ein Zwischenprodukt im Fertigungsprozess – in Gestalt einer sortenreinen Sandwichstruktur. In einem zweiten Arbeitsschritt kann dann das Halbzeug durch Druck und Temperatureinwirkung in seine endgültige geometrische Form gebracht werden. Dabei wird das Material an den Rändern und im Bereich von Befestigungspunkten, an denen der Unterboden mit der Karosserie verschraubt wird, kompakt verpresst. In den übrigen Bereichen bleibt die Sandwichstruktur erhalten und trägt zur extremen Biegefestigkeit des Bauteils bei. Durch die gute Umformbarkeit des Halbzeugs und die Darstellung unterschiedlicher Wandstärken kann die Geometrie des Bauteils für verschiedene Anforderungen ausgelegt werden.

BMW ist der weltweit einzige Hersteller, der für die Unterbodenverkleidungen seiner Fahrzeuge über ein derart anspruchsvolles Werkstoffsystem verfügt. Das neue LWRT-Material wurde für die Unterbodenverkleidung des BMW 5er entwickelt. Unmittelbar nach der Premiere 2004 wurde diese Werkstoffinnovation von der angesehenen Society of Plastic Engineers (SPE) mit dem „Oscar der Kunststoffindustrie“, dem SPE Award, ausgezeichnet. Im gleichen Jahr erhielt das Werkstoffsystem von der Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe (AVK-TV) den Innovationspreis. Mittlerweile wird LWRT auch in den Modellen der BMW 3er und BMW 1er Reihe eingesetzt.

Neuer Strukturschaum schafft starke Verbindungen.

Mehr Funktionalität, weniger Gewicht: Ein weiteres Beispiel dafür, wie diese beiden Ziele mit neuartigen Materialien erreicht werden, bietet die Karosseriestruktur des BMW 5er Touring. Die Integration des Panoramadachs führte zu einer Optimierung der Fahrzeugstruktur im Bereich der A-, B- und C-Säulen. Dies stellte die Materialentwickler vor neue Herausforderungen. Ziel der Werkstoffentwicklung war es, eine möglichst hohe dynamische Karosseriesteifigkeit zu garantieren und den Schwingungskomfort zu optimieren, ohne dabei das Fahrzeuggewicht zu erhöhen. Anstelle von Stahlschotten beziehungsweise Profilen mit höherer Wandstärke wird deshalb nun ein neu entwickelter, erheblich leichterer Strukturschaum eingesetzt.

Dieser Werkstoff wird im Karosseriebau in die Fahrzeuge eingebracht. Die Strukturschaumelemente dehnen sich während des Lackiervorgangs nach klar definierten Vorgaben aus und erhöhen die dynamische Steifigkeit des Fahrzeugs. Im Vergleich zur herkömmlichen Stahlbauweise führt der Einsatz der Strukturschaumelemente darüber hinaus zu einer Gewichtsersparnis von rund zehn Kilogramm. Das neue Werkstoffsystem wurde zudem besonders schnell und effizient in den bestehenden Fertigungsablauf integriert, da Schweißfolgen für die Einbringung der Teile entfallen konnten.

Kunststoff-Seitenwand für mehr Dynamik.

Gewichtsoptimierte Materialien kommen bei BMW immer erst dann zum Einsatz, wenn sie in ihrer Funktionalität den konventionellen Werkstoffen mindestens ebenbürtig sind. Die Kriterien, an denen Funktionalität gemessen wird, sind vielfältig. Stabilität und Langlebigkeit gehören ebenso dazu wie optische und haptische Eigenschaften, die vom Kunden registriert werden. Doch auch auf den Fertigungsprozess sowie auf das Design wirken sich die Eigenschaften eines neuen Werkstoffs in der Regel aus. Optimal sind folglich Materialien, die sich flexibel formen und problemlos verarbeiten lassen, die hochwertig wirken und ihre Qualität auf Dauer behalten. Ein anschauliches Beispiel dafür ist die aus Kunststoff gefertigte vordere Seitenwand für das neue BMW 3er Coupé. Sie wird aus einem neuartigen Thermoplast-Material gefertigt, ihr Gewicht liegt um 50 Prozent unter dem einer Seitenwand aus Stahl.

Um rund drei Kilogramm sinkt damit das Gewicht des Coupés. Und weil dieser Fortschritt im Bereich der Vorderachse erzielt wird, kommt er in vollem Umfang der Fahrdynamik zugute. Dank des leichten Materials am Vorderwagen wird nicht nur das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert, auch die ausgewogene Achslastverteilung im idealen Verhältnis von 50 : 50 lässt sich besser realisieren. Für die Fertigung bleibt der Materialwechsel von Stahl zu Hightech-Kunststoff ohne Auswirkungen. Die Kunststoff-Seitenwände lassen sich jetzt online, also direkt ohne den Umweg über eine Sondermontage, in den Lackierprozess integrieren. Im Gegensatz zu früheren Kunststoff-Bauteilen müssen sie nicht mehr gesondert lackiert und anschließend fertig montiert werden. Sie können gemeinsam mit der gesamten Rohkarosse den normalen Lackierprozess durchlaufen. Aufgrund ihrer hohen Wärmeformbeständigkeit sowie der optimierten Längenausdehnung und Feuchtigkeitsaufnahme weisen die fertig lackierten Seitenwände auch optisch die gleichen Eigenschaften wie herkömmliche Stahl-Bauteile auf.

Auch für das Design schafft der neue Werkstoff verbesserte Möglichkeiten. Das Material ist flexibler formbar als Stahl – ein Umstand, der den Designern neue Freiheiten in der Formgebung eröffnet. Hinzu kommt eine Eigenschaft, die schon bei der Entwicklung von reversiblen Stoßfängern zu großen Kundenvorteilen geführt hat. Die Kunststoff-Seitenwand ist weitgehend resistent gegen Bagatellbeschädigungen. Das Bauteil springt bei leichten Deformationen in seine ursprüngliche Form zurück. Kollisionen bei minimalem Tempo, zu denen es beispielsweise beim Rangieren auf Parkplätzen kommen kann, hinterlassen kaum dauerhafte Spuren.

Magnesium im Motorenbau: BMW steht an der Spitze.

Magnesium gilt als High-Tech-Material und Symbol für zukunftsweisenden Automobilbau. Doch wie groß ist das Potenzial dieses Metalls tatsächlich? Bei den Materialentwicklern der BMW Group geht dieser Einschätzung eine nüchterne Abwägung voraus. Magnesium steht im Wettbewerb mit Stahl, Aluminium und Kunststoff. Ein offensichtlicher Vorteil ist sein geringes Gewicht: Magnesium ist um etwa 60 Prozent leichter als Stahl. Auch gegenüber Aluminium fällt sein Gewicht um 30 Prozent geringer aus. Doch in den Disziplinen Biegefestigkeit, Formbarkeit, Temperaturbeständigkeit und Korrosionsanfälligkeit reichen erst neuartige Magnesium-Legierungen an die Konkurrenten Stahl und Aluminium heran. Grundsätzlich ist abzuwägen, wo sich der Materialeinsatz tatsächlich lohnt, denn Rohstoffpreise und komplizierte Gieß- und Fertigungsverfahren erschweren zunächst einmal den Einsatz von Magnesium in noch größerem Stil. Dennoch haben sich die Anwendungsbereiche für dieses Metall in der jüngsten Vergangenheit erheblich erweitert. Sitzrahmen und Lenkradkränze werden im Magnesiumgussverfahren gefertigt. Auch Instrumententräger aus Magnesium sorgen für erhebliche Gewichtseinsparungen.

Ein besonders eindrucksvolles Beispiel dafür, wie der Einsatz von Magnesium unmittelbar zu mehr effizienter Dynamik führen kann, ist der Reihensechszylinder-Motor von BMW. Der erstmals im BMW 330i präsentierte Antrieb mobilisiert aus einem Hubraum von 3,0 Litern eine Leistung von bis zu 195 kW/265 PS – und das bei einem Motorgewicht von nur 161 Kilogramm. Beim Reihensechszylinder-Motor wird das Kurbelgehäuse aus einem Magnesium-Aluminium-Verbund gefertigt. Zu diesem Zweck wurde eigens ein völlig neuartiges Gussverfahren entwickelt, das es ermöglicht, beide Metalle in optimaler Weise miteinander zu verbinden. Zusätzlich kommt Magnesium im Bedplate und in der Zylinderkopfhaube des Sechszylinders zum Einsatz. Zusammen mit weiteren Maßnahmen bewirkt die Einführung des Magnesium-Aluminium-Verbundkurbelgehäuses eine Gewichtsreduzierung von rund 10 Kilogramm gegenüber dem ursprünglichen Reihensechszylinder-Motor. Mit dem reduzierten Gewicht im Frontbereich des Fahrzeugs wurde ein direkter Beitrag zur gleichmäßigen Achslastverteilung und damit zur Agilität geleistet.

Für zukünftige Anwendungen setzen die Material- und Fahrzeugentwickler der BMW Group auf neue Legierungen des Metalls Magnesium. Reizvoll wäre der Einsatz von Magnesium vor allem im Fahrwerksbereich, wo auf diese Weise eine erhebliche Reduzierung der ungefederten Massen erreicht werden könnte. Die Verwirklichung derartiger Vorstellungen ist eine Gemeinschaftsaufgabe der Materialforschung, der Automobilhersteller, der Zulieferer und der Produktionstechniker. Aufgrund der bereits heute gesammelten Erfahrungen und der hohen technischen Kompetenz des Unternehmens steht die BMW Group an der Spitze dieser Entwicklung.
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Viele Grüße Hermann

"Nur wer für den Augenblick lebt, lebt für die Zukunft"Heinrich von Kleist
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