Media Mind Automobiltechnolgie by media mind GmbH & Co. KG

Automobiltechnologie in Bayern

PROFILE PORTRĂ&#x201E;TS PERSPEKTIVEN

Mit Sonderteil e-Car

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Editorial Quo vadis Automobil? Wohin wird uns die Reise der Mobilität in Zukunft führen? Vor dem Hintergrund der CO2Belastung entwickeln Hersteller und Zulieferer der bayerischen Automobilindustrie zukunftsweisende Ideen bis hin zum straßentauglichen Fahrzeug und leisten damit einen entscheidenden Beitrag zum Klimaschutz.

Antworten auf diese spannenden Entwicklungen bieten die aktuellen Beiträge in unserem Magazin. Eine neue mobile Welt mit technologischen Perspektiven, ja Visionen, tut sich auf. Fahren Sie mit!

Welche nachhaltigen Konzepte und Lösungen werden bereits in der Gegenwart präsentiert? Welche zukunftsgerichtete Forschungsvorhaben werden gefördert?

Walter Fürst Geschäftsführer

Wie geht der Weg zur CO2-neutralen Mobilität? Was sind die Kriterien der räumlichen Beziehung zwischen Fahrzeug und Videokamera bei Fahrerassistenzsystemen (FAS)? Welche Vorteile und Möglichkeiten bietet die industrielle Computertomographie?

Diese Publikation finden Sie auch im Internet unter www.media-mind.info

Impressum: Herausgeber:

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Verantwortlich:

Walter Fürst, Jürgen Bauernschmitt

Gestaltung + DTP:

Jürgen Bauernschmitt

Druckvorstufe:

media mind GmbH & Co. KG

Wie ist die Komplexität mit System als verbindendes Element im Bereich Bordnetz zu erreichen? Was bietet ein nachhaltiges Antriebskonzept für den Stadt- und Pendelverkehr? Durch wen wird die Entwicklung von E-Mobilität mit der dafür notwendigen Infrastruktur dynamisiert? Wie verändern sich die Wertschöpfungsstrukturen bei zunehmender Elektrifizierung?

Verantwortl. Redaktion: Ilse Schallwegg Druck:

Druckerei Frischmann, Amberg

Erscheinungsweise:

1 mal jährlich

2. US

Bayern Innovativ Editorial Bayerische Forschungsallianz

(BayFOR)

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Bayerische Forschungsallianz Automobiltechnikum Bayern GmbH

Audi

balanced mobility

Audi balanced mobility – Der Weg zur CO2-neutralen Mobilität Kontakt: Armin Götz AUDI AG, I/GP-P, Ingolstadt

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Inhaltsverzeichnis

Online-Kalibrierung Autor: Juri Platonov ESG Elektroniksystem- und Logistik-GmbH

Industrielle Computertomographie Fraunhofer-Institut Steuergeräteentwicklung GIGATRONIK Ingolstadt GmbH Network of Automotive Excellence NoAE Bordnetz S-Y Systems Technologies Europe GmbH S-Y Systems Technologies Europe GmbH Antriebskonzept TU München Anzeige schambeck automotive GmbH Kunststoffschweißen LPKF Laser & Electronics AG Werkstoff Stahl TU München

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Stahl – ein High-tech Werkstoff im Automobilbau Autor: Prof. Dr. mont. habil. Dr. rer. nat. h. c. Ewald Werner

Verbindungstechnik Elektronische

Fraunhofer-Institut

Fahrwerksysteme GmbH

Elektronische Fahrwerksysteme GmbH Gebündelte Leidenschaft und Leistungsfähigkeit Kontakt: Elektronische Fahrwerksysteme GmbH

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Sonderteil

e-Car

Mainfranken

Mainfranken – eine (e)mobile Region Autor: Sebastian Kühl, Projektmanager Region Mainfranken GmbH

Faserverbundwerkstoffe

Das iwb setzt neue Akzente im Bereich Verarbeitungen von faserverstärkten Kunststoffen Autoren: Dipl.-Ing. Alexander Fuchs, Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh, TU München

Schutzrechte - Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser

Audi

A1 e-tron

Pilotprojekt startet mit Audi A1 e-tron in München Kontakt: Armin Götz AUDI AG, I/GP-P

Elektromobilität

Elektromobilität vor Qualitätssprung Kontakt: Wolfgang Sczygiol, Geschäftsführer BROSE-SEW ELEKTROMOBILITÄTS GmbH & Co. KG

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Functions GmbH

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Produktionstechnologien für den elektrischen Antriebsstrang im E|Drive-Center Nürnberg Autor: Dipl.-Wirtsch.-Ing. Florian Risch E|Drive-Center, Erlangen-Nürnberg

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Die bayerischen Standorte werden ausgebaut Kontakt: Diana Reuter IAV GmbH, Berlin

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Fördermittel für zukunftsträchtige Forschungsvorhaben im Bereich Mobilität Elektroantrieb oder Brennstoffzelle? Karbon oder Naturfasern? Wie der Weg zum Auto der Zukunft aussieht, ist ungewiss – lediglich die Ziele sind bekannt: Es soll sicher sein, umweltfreundlich, günstig in Herstellung und Verbrauch, stylish und über viele neue Features verfügen, die Fahrspaß und Fahrkomfort erhöhen. Innovative Ideen, die sich mit der Zukunft der Automobiltechnologie beschäftigen, haben gute Chancen, Unterstützung bei regionalen, nationalen und europäischen Fördermittelgebern zu finden.

Bayerische Forschungsallianz (BayFOR)

Das passende EU-Förderprogramm für Ihr Automobil-Projekt Die Europäische Union hat das Thema Automobil gleich in mehreren Bereichen ihres 7. Forschungsrahmenprogramms (FP7, 20072013) verankert: Sowohl im Programm Verkehr als auch bei Nanotechnologie, Werkstoffe und Produktion (NMP) und bei den Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) können Wissenschaftler Ausschreibungen, finden, die für Forschungsvorhaben in der Automobiltechnologie interessant sind. Und auch das EnergieProgramm hält Automobilthemen bereit, vor allem im Hinblick auf Biokraftstoffe. Der Bereich „Nachhaltiger Bodentransport“ im Programm Verkehr umfasst insbesondere Projekte zur Sicherheit und Verkehrstelematik (Intelligent Transport Systems). Das künftige Rahmenprogramm Horizon 2020, das 2014 startet, wird – nach aktuellem Stand – unter dem Leitgedanken „Smart, green and integrated transport“ die Reduzierung von CO2-Emissionen sowie eine verbesserte Mobilität stärker in den Fokus rücken. Eng damit verbunden ist die Forschung zu neuen Werkstoffen, die Fahrzeuge leichter und damit verbrauchsärmer machen

sollen. Fördermittel für die Materialforschung werden über das NMPProgramm bereit gestellt, ebenso wie Gelder für Innovationen in den Bereichen Fahrzeugproduktion und Automatisierung. Ausschreibungen zu den Themen Sensorik und Fahrzeugelektronik finden sich dagegen im IKT-Programm. Darüber hinaus gibt es seit 2009 innerhalb des FP7 das Public Private Partnership für Forschung und Entwicklung „European Green Cars“, das Themen aus den Bereichen Verkehr, IKT, NMP, Umwelt und Energie vereint. Im Rahmen dieser Initiative ist ein ERA-Net+ zur EMobilität und Logistik geplant. Auch im Programm „Nachhaltiger Bodentransport“ wird es ein ERANet+ geben, das Forschungsvorhaben zu einer verbesserten Infrastruktur unterstützen soll. Über das Instrument „ERA-Net“ fördert die Europäische Kommission die Zusammenarbeit zwischen nationalen bzw. regionalen Fördermit-

telgebern und Programmverwaltern, so dass beispielsweise auch bayerische Programme integriert werden können. Beim Nachfolgeinstrument ERA-Net+ stellt die Kommission selbst ein Drittel der Fördergelder zur Verfügung. Doch auch außerhalb des FP7 gibt es Möglichkeiten, Fördermittel einzuwerben. Speziell an Unternehmen richtet sich das Programm für Wettbewerbsfähigkeit und Innovation (CIP). Für innovative Projekte im Automobilbereich sind hier insbesondere die Maßnahmen zur Förderung der Energieeffizienz und der Nutzung neuer und erneuerbarer Energiequellen im Verkehrswesen (STEER) von Interesse. Sie werden im Rahmen des Programms IEE (Intelligente Energie – Europa II) gefördert. Daneben bietet das Umweltprogramm LIFE+ im Bereich „Umweltpolitik und Verwaltungspraxis – Städtische Umwelt“ Finanzierungsmöglichkeiten für Projekte, die sich mit der Entwicklung nachhaltiger städtischer Transportsysteme beschäftigen.

Orientierung im Dickicht der Förderprogramme Die Vielfalt an Fördermöglichkeiten stellt potenzielle Antragsteller vor komplexe Aufgaben: Ein passendes Förderprogramm zu identifizieren

Bayerische Forschungsallianz (BayFOR) bünde und deren Mitglieder auf europäischer Ebene. Ein Forschungsverbund, den die Bayerische Forschungsstiftung seit Juli 2010 mit 1,9 Mio. Euro für drei Jahre fördert, ist FORLärm („Forschungsverbund zur Lärmminderung von technischen Anlagen“). Das Teilprojekt B2 des Verbundes beschäftigt sich in Kooperation mit BMW mit dem Thema Fahrzeugakustik.

Forschungsverbund FORLärm: Für den perfekten Automobil-Sound

„Green transport“ ist ein Schwerpunktthema der EU-Forschungsförderung

und einen erfolgreichen Antrag zu stellen, erfordert umfassendes Fachwissen. Darüber hinaus ist es wichtig, bei der Antragstellung die Relevanz des Projekts für Umwelt, Wirtschaft und Menschen in Europa, also seine Nachhaltigkeit, sowie die politischen Hintergründe richtig einzuschätzen. Im neuen Programm Horizon 2020 wird dieser Aspekt noch mehr an Bedeutung gewinnen. Das Haus der Forschung mit den vier Partnern Bayerische Forschungsallianz (BayFOR), Bayern Innovativ, Innovations- und Technologiezentrum Bayern und Bayerische Forschungsstiftung ist die zentrale Anlaufstelle für bayerische Wissenschaftler und Unternehmen, die auf der Suche nach Unterstützung für ihr Forschungs- oder Technologieprojekt sind. Das EU-Förderzentrum der BayFOR, die unter anderem vom Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst gefördert wird, informiert insbesondere über Fördermöglichkeiten im Rahmen europäischer Programme und bietet aktive Unterstützung bei der Projektanbahnung, dem Aufbau internationaler Konsortien und der Antragserstellung. Ist die Evaluie-

rung erfolgreich, unterstützt sie bei den Vertragsverhandlungen mit der Europäischen Kommission und übernimmt gegebenenfalls das Projektmanagement sowie die Öffentlichkeitsarbeit. Die BayFOR ist sowohl auf regionaler als auch auf europäischer Ebene bestens vernetzt. Ihr EU-Verbindungsbüro in Brüssel vertritt die Interessen der bayerischen Hochschulen und KMU, stärkt ihre Sichtbarkeit und ist ihr Kontaktvermittler zu den europäischen Institutionen. Die Wissenschaftliche Koordinierungsstelle Bayern-Québec/Alberta/ International unterstützt bilaterale Forschungsprojekte in diesen Regionen und entwickelt sie teilweise im Rahmen einer europäischen Forschungsförderung weiter. Als Partner im Enterprise Europe Network (EEN) stellt die BayFOR auch gezielte Beratungsdienstleistungen für KMU bereit, die sich für eine Teilnahme an EU-Forschungsprojekten interessieren oder länderübergreifend miteinander kooperieren wollen. Außerdem koordiniert die BayFOR die gemeinsamen Aktivitäten der Bayerischen Forschungsverbünde, unterstützt sie bei der Öffentlichkeitsarbeit und vernetzt die Ver-

In der heutigen Zeit nimmt die Akustik im Innenraum des PKWs einen immer höheren Stellenwert als Qualitätsmerkmal ein. Da bereits ab einer Geschwindigkeit von ca. 120 km/h das Windgeräusch gegenüber anderen Lärmquellen wie Roll- und Motorgeräusch dominiert, ist eine Reduzierung des Windgeräusches sowie die Einkopplung in die Fahrgastzelle für den Automobilhersteller in mehrerlei Hinsicht interessant. So eröffnen sich beispielsweise neue Möglichkeiten zum aktiven „Sound-Design“. Dabei werden über Lautsprecher gezielt Motorgeräusche in Abhängigkeit von Drehzahl, Last und Geschwindigkeit eingespielt. Dafür bleibt verständlicherweise umso mehr Spielraum, je leiser der Grundpegel ist. Ein anderer Aspekt ist, dass sich die genannte Geschwindigkeitsgrenze von 120 km/h im Zuge der Elektromobilisierung in den nächsten Jah-

ren nochmals deutlich nach unten verschieben wird, da hierbei Motorgeräusche nahezu komplett verschwinden und somit das Windgeräusch als akustischer Störfaktor umso mehr in den Vordergrund tritt. Da späte Änderungen in der Entwicklung am Fahrzeug für den Automobilhersteller sehr teuer

Bayerische Forschungsallianz (BayFOR)

Generisches Fahrzeugmodell im Windkanal von BMW (©Stefan Müller, FORLärm)

oder nicht mehr möglich sind, ist es interessant, das Geräusch im Innenraum eines PKWs bereits in einem frühen Entwicklungsstadium des Entstehungsprozesses möglichst genau vorherzusagen. Um die Schallentstehung im Innenraum des PKWs zu berechnen, ist es notwendig, die physikalischen Zusammenhänge zwischen Überströmung, den angeregten Bauteilen und der akustischen Kavität des Innenraums zu verstehen. Daraus können dann Methoden abgeleitet werden, um den Schall im Innenraum des Fahrzeugs mithilfe eines Computers zu berechnen. Im Rahmen von FORLärm werden diese Zusammenhänge genauer untersucht. Bei der Untersuchung der Windgeräusche am PKW wird man stets mit dem Problem konfrontiert, dass sich nicht genau orten lässt, an welchen Baugruppen der Schall entsteht. Der Schalldruckpegel an dem Punkt, an dem er für den Fahrer störend sein kann, nämlich am Ohrpunkt, resultiert aus Schalleinträgen durch verschiedene Baugruppen wie Unterboden, Türbleche, Seitenscheiben etc. Aus diesem Grund konstruierten die Wissenschaftler ein generisches Fahrzeugmodell, das speziell für Akustikmessungen konzipiert wurde. Das Modell ist modular aufgebaut, so dass einzelne Bauteile, die zur Schallentstehung beitragen, durch massive, dämmende Teile ersetzt werden können. So ist es möglich, in der voll

gedämmten Konfiguration einen sehr niedrigen Pegel im Innenraum zu erreichen. Ersetzt man dann beispielsweise nur den Bereich der Seitenscheibe durch eine reale Glasscheibe, kann man sicher sein, dass der Schalldruck im Innenraum des Modells vom Schalleintrag der Scheibe herrührt. Vor allem auf dem Schalleintrag durch die Seitenscheibe liegt im Projekt ein besonderes Augenmerk, da sie besonders bei hohen Geschwindigkeiten großen Wechseldrücken und den Verwirbelungen im Nachlauf des Seitenspiegels und der A-Säule ausgesetzt ist. Um das Verhalten der Seitenscheibe und ihrer Schallabstrahlung bei Anströmung vorauszusagen, ist auch eine genaue Kenntnis der Druckverteilung auf der Oberfläche vonnöten. Besonders interessant ist hier die Unterscheidung zwischen reinem Strömungsdruck und akustischem Druck. Bezüglich der Anregung der Seitenscheibe verhalten sich diese beiden Varianten des Drucks nämlich völlig unterschiedlich. Als Strömungsdruck bezeichnet man den Druck, mit dem der überströmende Wind gegen die Oberfläche drückt. Der akustische Druck resultiert aus akustischen Quellen, die durch die Verwirbelungen in der Strömung entstehen. Dieses Phänomen ist von Radio- und Fernsehaufnahmen bei starkem Wind bekannt, bei denen das eigentliche Sprachsignal von stark fluktuierendem

Rauschen überlagert wird. In diesem Fall kann das Mikrofon nicht zwischen Strömungs- und akustischem Druck unterscheiden, wenngleich die beiden Anregungen aufgrund ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeiten völlig unterschiedlich sind. Messtechnisch zu trennen sind diese Phänomene nur durch örtlich fein aufgelöste Messungen des Oberflächendrucks. Die Ergebnisse solcher Messungen dienen schließlich als Referenz und Grundlage für die Simulation der Umströmung des Fahrzeugs und der Akustik im Innenraum. Kontakt FORLärm: Christoph Gabriel Lehrstuhl für Sensorik FAU Erlangen-Nürnberg Tel.: +49 (0)9131 - 8523140 E-Mail: christoph.gabriel@lse.eei.unierlangen.de

Fazit „Die bayerische Forschungslandschaft ist facettenreich und hat ein hohes Potenzial, zur Lösung aktueller Fragestellungen im Mobilitätsbereich beizutragen“, so Martin Reichel, Geschäftsführer der BayFOR. Mit der richtigen Finanzierung kann es gelingen, dieses Potenzial auszuschöpfen. Die BayFOR hilft dabei, die Chancen zu nutzen, die vor allem die europäische Forschungsförderung bietet. Kontakt:

Anita Schneider Referentin für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Bayerische Forschungsallianz GmbH (BayFOR) Prinzregentenstr. 52 80538 München Tel.: +49 (0)89 - 9901888-191 Fax: +49 (0)89 - 9901888-29 E-Mail: schneider@bayfor.org www.bayfor.org

Audi balanced mobility – Der Weg zur CO2-neutralen Mobilität Audi gestaltet die Zukunft und geht dabei völlig neue Wege. Unter dem Begriff „Audi balanced mobility„ will das Unternehmen ein großes Ziel realisieren – eine ausgeglichene CO2-Bilanz über die gesamte Mobilitätskette.Ein Herzstück dieses Vorhabens ist das Audi e-gas project, ein Meilenstein nicht nur für Audi,sondern für die ganze deutsche Energiewirtschaft.

Audi balanced mobility

Audi startet umfassende Initiative zu nachhaltiger und CO2-freier Energieerzeugung und Mobilität Audi will in der Automobilindustrie die Führungsrolle beim nachhaltigen Umgang mit den natürlichen Ressourcen übernehmen. Unter dem Begriff „Audi balanced mobility“ richtet das Unternehmen seine Aktivitäten auf ein großes Ziel aus – die ganzheitliche CO2neutrale Mobilität. Ein zentraler Baustein dieser Initiative ist das Audi e-gas project. Mit ihm setzt die Marke einen Meilenstein, von dem die Energiewirtschaft und die Gesellschaft profitieren können. Am 12. und 13. Mai 2011 stellte Audi das e-gas project in Hamburg, der Umwelthauptstadt 2011, erstmals der Öffentlichkeit vor. Audi balanced mobility beschreibt einen nachhaltigen Weg, der alle Aspekte der automobilen Wertschöpfungskette abdeckt und sämtlichen Gas- und Stromversorgern in Deutschland neue Impulse gibt. „Ökologie und Ökonomie im Einklang: Das ist die größte Herausforderung der Zukunft. Dafür müssen wir Mobilität ganzheitlich ins Gleichgewicht bringen – und zwar mit dem Menschen, seinen neuen Werten und mit der Umwelt. Die CO2-neutrale Mobilität ist unser Ziel“, sagt Audi-Chef Rupert Stadler. Und: „Auf dem Weg dorthin

nutzen wir konsequent sauberen Strom. Wir produzieren klimafreundliche Kraftstoffe und prägen eine neue Haltung, für die unser ganzes Unternehmen steht. Das ist das Ziel von Audi balanced mobility.“ Das e-gas project, das nach drei Jahren intensiver Forschung nun in die Praxisphase übergeht, ist ein Eckpfeiler des Vorhabens. Als erster Automobilhersteller weltweit baut Audi eine ganze Kette von nachhaltigen Energieträgern auf. Während sich manche Wettbewerber darauf beschränken, Ökostrom von Dritten zu kaufen, steigt die Marke mit den Vier Ringen direkt in dessen Produktion ein.

Dazu beteiligt sich Audi am Bau von Offshore-Windrädern in der Nordsee – sie erzeugen Ökostrom, der in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Mit Ökostrom will Audi seine künftigen elektrisch fahrenden e-tron-Modelle produzieren und auch betreiben. Ein Teil des Windstroms soll einer Anlage zugutekommen, die per Elektrolyse Wasserstoff herstellt. Er kann künftig als Energiequelle für Brennstoffzellenfahrzeuge dienen, alternativ lässt sich aus ihm in einem weiteren Schritt Methan herstellen. Dieses Methan heißt bei Audi e-gas; es ist chemisch mit Erdgas identisch und kann Verbrennungsmotoren antreiben. Audi

Schemadarstellung Audi e-tron: regenerative Energie für Audi e-tron

Audi balanced mobility wird ab 2013 Modelle mit der Bezeichnung TCNG in Serie bringen, deren vom TFSI abgeleitete Motoren mit e-gas laufen. Der Umweltwissenschaftler und Ko-Präsident des Internationalen Ressourcen Panel Ernst Ulrich von Weizsäcker begrüßt das Vorhaben von Audi ausdrücklich: „Ich wünsche mir eine umweltfreundliche, nachhaltige Mobilität. Dazu passt auch das e-gas project von Audi und seine praxisnahe Umsetzung. Damit kann ein gutes Stück CO2neutrale Mobilität verwirklicht werden.“ Mittelfristig kann die deutsche Energiewirtschaft vom Konzept des Audi e-gas project profitieren. Es beantwortet die heute noch offene Frage, wie sich Ökostrom effizient und ortsunabhängig speichern lässt. Weht zum Beispiel viel Meereswind, lassen sich StromÜberkapazitäten in e-gas wandeln und im größten verfügbaren Energiespeicher – dem öffentlichen Gasnetz – speichern. Aus dem Gasnetz lässt sich die Energie, wenn gewünscht, jederzeit ins Stromnetz zurückführen.

Das Audi e-gas project

Auf dem Weg in die CO2-neutrale Mobilität der Zukunft setzt Audi konsequent auf erneuerbare Energien – das Audi e-gas project wird ein Meilenstein auf diesem Weg. Es setzt sich aus zwei großen Bausteinen zusammen. Windräder erzeugen sauberen Strom; Audi nutzt einen Teil davon, um seine künftigen e-tron- Fahrzeuge zu bauen. Auch beim Antrieb der etron-Fahrzeuge soll der Ökostrom eine große Rolle spielen. Bereits im Mai 2010 hat Rupert Stadler, Vorsitzender des Vorstands der AUDI AG, die Maxime formuliert: „Elektroautos von Audi sollen vorwiegend mit nachhaltig erzeugtem Strom fahren.“ Eine neue Anlage – der zweite Baustein im e-gas project – wird mithilfe des verbleibenden Ökostroms per Elektrolyse Wasserstoff

produzieren. Mit diesem klimafreundlich erzeugten Energieträger lassen sich mittelfristig Brennstoffzellenautos betreiben. Aber Audi wird den Wasserstoff außerdem nutzen, um in einem weiteren Schritt aus ihm und aus CO2 Methan zu erzeugen. Dieses Methan wird auch synthetisches Erdgas genannt, bei Audi heißt es Audi e-gas. Mit ihm lassen sich auf Erdgas ausgelegte Verbrennungsmotoren betreiben; Audi bringt ab 2013 solche Modelle mit der Bezeichnung TCNG in Serie. Der besondere Nutzen der Methanisierung liegt darin, dass die Reaktion mithilfe von CO2 abläuft, das damit nicht in die Atmosphäre gelangt. So ergibt sich ein geschlossener CO2-Kreislauf, der klimafreundliche Langstreckenmobilität ermöglicht. Das Audi e-gas project hat darüber hinaus einen immensen Nutzen, von dem die ganze Energiewirtschaft in Deutschland profitieren kann: Es koppelt den regenerativ erzeugten Strom auf dem Weg über das Methan an das Erdgasnetz an; damit kann es dazu beitragen, das Problem der Speicherung überschüssigen Windoder Solarstroms zu lösen. Aus dem Gasnetz lässt sich die Ener-

13 gie, wenn gewünscht, jederzeit ins Stromnetz zurückführen. „Die AUDI AG realisiert mit ihren Projektpartnern ein Verfahren, das die CO2-neutrale Mobilität in greifbare Nähe rückt“, sagt Michael Dick, Vorstand für den Geschäftsbereich Technische Entwicklung. „Unsere Technologie besitzt das Potenzial, der Diskussion über den Ausbau erneuerbarer Energien eine neue Richtung zu geben. Wir ergreifen hier selbst die Initiative und ergänzen die E-Mobilität durch ein ebenso klimafreundliches Konzept für die Langstrecke.“ Audi hat die Forschungsphase des e-gas project abgeschlossen. Ab Mitte 2011 erfolgte mit dem Neubau einer industriell nutzbaren Anlage der zweite Schritt, für den das Unternehmen einen hohen zweistelligen Millionenbetrag investiert. Damit startete Audi zusammen mit seinen Partnern – dem Stuttgarter Unternehmen SolarFuel GmbH, dem Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Stuttgart, dem Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Kassel und der EWE Energie AG – ein Energieprojekt in großem Stil.

Schema e-gas project: regenerative Energie zu e-gas z.B. für Langstreckenmobilität mit Audi TCNG

Audi balanced mobility

14 Strom aus Offshore-Windrädern Der erste große Baustein im Audi e-gas project sind die Windräder. In der ersten Projektphase finanziert das Unternehmen, zusammen mit einem regionalen Energieversorger, vier große Anlagen in einem Offshore-Windpark in der Nordsee. Mit jeweils 3,6 MW Leistung sollen sie im Jahr gemeinsam etwa 53 GWh Strom liefern – das entspricht dem Bedarf einer mittelgroßen Stadt. Bei der Windenergienutzung in Deutschland spielen die Offshore-Windkraftanlagen heute noch eine untergeordnete Rolle. Dabei können sie weit vor der Küste, bei durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten von etwa 30 km/h, etwa 40 Prozent mehr Energie produzieren als Onshore-Anlagen. Das Potenzial, das noch zu erschließen ist, liegt auf der Hand.

Die e-gas-Anlage Der zweite große Baustein im Projekt ist die e-gas-Anlage, die Wasserstoff und Methan im industriell nutzbaren Maßstab produzieren wird. Die e-gas-Anlage ist an eine Abfall-Biogasanlage gekoppelt – von ihr bezieht sie das zur Methanisierung notwendige konzentrierte CO2, das sonst die Atmosphäre belasten würde.

Pro Jahr wird die Anlage etwa 1.000 Tonnen e-gas produzieren und dabei 2.800 Tonnen CO2 binden. Die Anlage besteht aus zwei Hauptkomponenten, dem so genannten Elektrolyseur und der Methanisierungsanlage. Dazu kommen Leitungstechnik, Tanks, Steuer- und Regelelektronik sowie Kompressoren zur Einspeisung von e-gas ins Erdgasnetz. Eine Laboranlage mit 25 kW Leistung, im Januar 2011 zu Testzwecken installiert, konnte auf Anhieb Gas in der geforderten Einspeisequalität liefern. Der Elektrolyseur wird mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben. Mithilfe von Polymer-Elektrolytmembranen spaltet er Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Der Wasserstoff kann künftig als Antrieb für Brennstoffzellen-Fahrzeuge wie dem Audi Q5 HFC dienen, die heute allerdings noch nicht serienreif sind. In der ersten Projektphase wird er deshalb nicht direkt genutzt; vielmehr gelangt er nach der Gastrennung und -trocknung in einen Speichertank und weiter zur Methanisierungsanlage. Dort wird der Wasserstoff auf der Grundlage der sogenannten Sabatier-Reaktion mit Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Methan (CH4) ver-

Prinzipdarstellung Elektrolyse zur Wasserstoffgewinnung

knüpft; als Nebenprodukt fällt Wasser (H2O) an. Auf diese Weise entsteht das Methan, ein synthetisches Erdgassubstitut, das in das deutsche Erdgasnetz und somit auch in das CNG-Tankstellennetz weitergeleitet wird. Die Technologie, die sich in der chemischen Industrie seit Langem bewährt, funktioniert prinzipiell an jedem Standort, an dem Wasser, Strom und eine CO2-Quelle zur Verfügung stehen. Grundsätzlich lässt sich das CO2 auch der Umgebungsluft entziehen, wenn auch mit höherem Aufwand. Der Strom aus Windkraft und das Methan aus der Anlage werden bereits in der ersten Phase des e-gas projects für insgesamt 2.500 Autos ausreichen. Mit einem Teil des Windstroms ließen sich 1.000 A1 e-tron herstellen und 10.000 km pro Jahr betreiben. Ein weiterer Anteil wird künftig ins Netz eingespeist, kommt bei Überschüssen im Stromnetz also auch der e-gas-Anlage zugute. Mit dem regenerativ erzeugten egas können 1.500 A3 TCNG jeweils 15.000 km pro Jahr fahren. Dabei bleiben noch 150 Tonnen egas für das öffentliche Gasnetz. Bei Bedarf lässt sich dieses Gas wieder rückverstromen. Unter dem Strich stehen ein großer Nutzen für das Stromnetz und jährlich weit über 30 Millionen klimaneutrale Kilometer Fahrstrecke. In der Umweltbilanz brilliert e-gas als Antrieb für Fahrzeuge. Ein mit e-gas betriebenes Erdgas-Auto der Kompaktklasse emittiert pro km weniger als 30 Gramm CO2-Äquivalent, wenn man nicht die Emission am Auspuff, sondern die wellto-wheel Bilanz (von der Quelle zum Rad) betrachtet. Dabei sind Emissionen für den Bau der Windräder und der e-gas-Anlage schon eingerechnet. Noch besser schneiden nur Elektrofahrzeuge ab, die direkt mit Windstrom versorgt werden – sie stoßen noch nicht einmal vier Gramm pro km aus. In der energetischen Gesamtbilanz

Audi balanced mobility

unter Einbeziehung der FahrzeugProduktion haben sie jedoch das Handicap, dass die Herstellung ihrer Batterien viel Energie verbraucht.

Die Speicherung von Ökostrom im Gasnetz

Das Audi e-gas project kann auf einen Schlag mehrere Antworten auf drängende Fragen der nachhaltigen Energiewirtschaft liefern. In der Prozesskette entstehen sauberer Strom, Wasserstoff und Methan – drei wichtige Energieträger für die Mobilität der Zukunft. Mittelfristig hat die Technologie das Potenzial, eine zu 100 Prozent regenerative und dennoch hochflexible Energieversorgungsstruktur für Strom, Wärme und Verkehr zu etablieren, bei der sich die Anteile der drei Energieträger ganz nach Bedarf austarieren lassen. Die Zukunft der Energieversorgung in Deutschland gehört den erneuerbaren Energien. Im vergangenen Jahr stieg ihr Anteil am gesamten Verbrauch von Strom, Wärme und Kraftstoff erstmals über 10 Prozent. Bei der Stromerzeugung liegt er – mit großen Unterschieden zwischen den einzelnen Bundesländern – bereits bei 17 Prozent, zu denen die Windenergie den größten Teil beiträgt. Bis zum Jahr 2050 soll der Anteil regenerativer Energie am Bruttostromverbrauch auf 77 Prozent wachsen. Die Windkraft besitzt große Potenziale. Das Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) hat dazu im Auftrag des Bundesverbands WindEnergie eine Studie vorgelegt. Ihr zufolge ließen sich in Deutschland mit Windkraft pro Jahr realistisch etwa 390 Terawattstunden (TWh) Energie erzeugen; sie würden 64,7 Prozent des deutschen Bruttostromverbrauchs aus dem Jahr 2010 (603 TWh) decken. Die installierte Gesamtleistung beträgt im Rechenmodell 198 Gigawatt (GW). Die Produktion des Stroms aus Wind und Sonne unterliegt jedoch naturbedingten Schwankungen, und

Prinzipdarstellung Methanisierung zur Herstellung von synthetischem Methan, dem e-gas

die erforderliche Speicherkapazität ist heute noch sehr gering. Pumpspeicherwerke kommen nur als Kurzzeitspeicher infrage – im Notfall könnten sie die Energieversorgung in Deutschland gerade mal für eine Stunde aufrecht erhalten. Alle anderen Lösungen, Druckluftspeicher beispielsweise, sind in ihrer Kapazität und Speicherdauer ebenfalls stark eingeschränkt. Das Konzept der Methanisierung von Wasserstoff mithilfe regenerativer Energie leistet einen Beitrag zur Problemlösung: Das Stromnetz wird mit dem unterirdischen Gasnetz gekoppelt – in ihm lassen sich die Überkapazitäten monatelang speichern. Das Potenzial des Gasnetzes beträgt 217 TWh, das Stromnetz kann lediglich 0,04 TWh speichern. Zudem liegt seine Transportkapazität um ein Vielfaches – etwa Faktor 10 – niedriger als jene des Gasnetzes. Aus dem Gasnetz lässt sich die Energie durch Rückverstromung, etwa in Gaskraftwerken oder dezentral in Blockheizkraftwerken, jederzeit ins Stromnetz zurückführen. Neue dezentrale Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) können den Wirkungsgrad weiter erhöhen. Darüber hinaus eignet sich Methan auch für die Gasversorgung von Haushalten oder

zur Bereitstellung von Hochtemperatur-Prozesswärme. Der Wirkungsgrad der e-gas-Pilotanlage – vom Windrad zum Methangas – erreicht etwa 54 Prozent. Bei Nutzung der entstehenden Abwärme liegt dieser Wert nochmals deutlich höher. Für spätere Ausbaustufen ist ein Wirkungsgrad von über 60 Prozent das Ziel. Das Potenzial der Strom-Gas-Kopplung, Wind- oder auch Solarenergie in großen Mengen zu speichern, kann dem Ausbau der erneuerbaren Energien starke Impulse verleihen. Das Audi e-gas project lässt sich leicht auf alle Länder übertragen, in denen Erdgasnetze existieren – auch das beweist seine technisch-ökonomische Bedeutung.

Die Autos im e-gas project Mit dem e-gas project stellt Audi drei Energieträger bereit – elektrischen Strom, Wasserstoff und Methangas. Sie eignen sich für ganz unterschiedliche Antriebskonzepte – für Elektroautos, für Brennstoffzellenfahrzeuge und für CNG- Fahrzeuge.

Der Audi A1 e-tron

Der A1 e-tron ist das Konzept eines reinen Elektrofahrzeugs. Bei Bedarf lädt ein Range Extender die Batterie nach – der A1 e-tron

Audi balanced mobility

Audi A1 e-tron „tankt“ regenerativen Strom

bewegt sich ausschließlich mit der Kraft seiner E-Maschine, der Viersitzer kann also lokal emissionsfrei fahren. Der Elektromotor des kleinen Kompakten liefert 45 kW (61 PS) Dauerleistung und 75 kW (102 PS) Spitzenleistung, die über ein einstufiges Getriebe an die Vorderräder fließen. Das maximale Drehmoment von 240 Nm steht vom Start weg bereit. Der A1 e-tron spurtet in 10,2 Sekunden von null auf 100 km/h und erreicht über 130 km/h Spitze. Die Energie kommt aus einem Paket Lithium-IonenAkkus, das in Form eines T unter dem Mitteltunnel und der Fondbank liegt. Die flüssigkeitsgekühlte Batterie speichert 12 kWh Energie, genug für mehr als 50 km Strecke. Mit Starkstrom dauert ein Ladevorgang weniger als eine Stunde. Bei längeren Distanzen wird ein Range Extender aktiv. Der kleine Wankelmotor, der unter dem Gepäckraum liegt, lädt den Akku über einen Generator nach.

Der Audi A3 TCNG Der Technikträger Audi A3 TCNG kann das e-gas nutzen, das Audi in der Methanisierungsanlage erzeugt. Sein Vierzylinder-TFSI und der Katalysator im Abgasstrang sind für den Betrieb mit Erdgas ausgelegt. Allein in Deutschland ist es schon an rund 900 CNG-Tankstellen verfügbar – Tendenz steigend.

Über ein so genanntes Bilanzkreisverfahren, wie es in ähnlicher Form auch beim Bezug von Ökostrom funktioniert, kann sich der Kunde des A3 TCNG voraussichtlich ab 2013 Windenergie in den Tank

puff (tank-to-wheel). Am Auspuff entweicht kein Gramm CO2, das nicht vorher bei der Herstellung von e-gas gebunden worden wäre. Zwischen der Herstellung des Kraftstoffs und seiner Verbrennung existiert also ein geschlossener CO2Kreislauf. Die hohe Oktanzahl von zirka 130 ROZ, die Erdgas, Biomethan und eben auch e-gas aufweisen, erlaubt eine hohe effektive Verdichtung im Turbomotor – Garant für hohe Effizienz. Wie jeder Audi ist auch der A3 TCNG ein Auto ohne Abstriche bei Alltagseigenschaften und Fahrspaß. Seine Gastanks, in denen das e-gas unter 200 bar Druck gespeichert wird, bieten genug Volumen auch für lange Strecken. Der Audi A3 TCNG ist bivalent ausgelegt – wenn sich die Gastanks leeren und keine CNG-Tankstelle in

Der Audi A3 TCNG für e-gas-Mobilität

holen. In dem Umfang, in dem er egas tankt, wird die zur Erzeugung dieser Menge benötigte regenerative Energie ins Netz eingespeist. Die volumetrische Dichte des e-gas entspricht der des fossilen Erdgases und ist somit geringer als bei Superbenzin. Bei der Verbrennung von egas entsteht wie bei Erdgas deutlich weniger CO2 als bei Superbenzin. Für das e-gas project bedeutet das: Die CO2-Emission ist nicht nur in der Gesamtbilanz (well-to-wheel) sehr niedrig, sondern auch am Aus-

Sicht ist, fährt er ohne Leistungsverlust mit Benzin weiter. Informationen zu Audi balanced mobility finden Sie auch unter: www.audi-balanced-mobility.de Kontakt: Armin Götz AUDI AG I/GP-P 85045 Ingolstadt Tel.: +49 (0)841/89-90703 Fax: +49 (0)841/89-90786 armin.goetz@audi.de www.audi.com

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legung, Fahrwerkverhalten und

www.efs-auto.com/karriere

Fahrwerkdynamik.

Ein Joint Venture der GIGATRONIK-Gruppe und der Audi Electronics Venture GmbH

OnlineKalibrierung

Fahrerassistenzsysteme

Neues Wissen um die räumliche Beziehung zwischen Fahrzeug und Videokamera bei Fahrerassistenzsystemen Seit einigen Jahren ist ein verstärkter Einsatz von Videokameras im Fahrzeug zu beobachten. Bei den meisten Fahrerassistenzsystemen (FAS) ist das Wissen um die räumliche Beziehung zwischen Fahrzeug und Videokamera von entscheidender Bedeutung. Insbesondere sicherheitskritische Assistenzsysteme, die in das Lenk- bzw. Bremsverhalten des Fahrzeugs eingreifen, benötigen zu jedem Zeitpunkt präzise Informationen über die Position und die Orientierung - sog. Pose - der Videokamera bezüglich des Fahrzeugkoordinaten-systems. Aber auch Komfortfunktionen benötigen diese Informationen, um beispielweise aus den Bildern mehre-

rer Videokameras eine virtuelle Draufsicht auf das eigene Fahrzeug (Top View) zu generieren. Der Orientierung kommt dabei eine besondere Bedeutung zu: Denn ein Fehler in der Orientierung der Videokamera zum Fahrzeug führt zu einem Positionsfehler im Umfeldmodell. Die Ermittlung der Pose einer Videokamera findet heute üblicherweise im Rahmen der so genannten End-of-line-Kalibrierung statt – ein Einmessvorgang am Ende der Fahrzeugherstellung. Neben den Kosten, die ein solcher Kalibrierungsschritt im Produktionsprozess verursacht, stellt vor allem die spätere häufige Dekalibrierung der Videokameras

im Laufe der Benutzung ein ernsthaftes Problem dar. Die Ursachen für eine Dekalibrierung sind in erster Linie mechanische und thermische Einflüsse, denen ein Fahrzeug während seiner Benutzung ausgesetzt ist. Eine Lösung für die dargestellten Probleme bietet die vollautomatische Ermittlung der Kameraorientierung bezüglich des Fahrzeugs, auch Online-Kalibrierung genannt. Im Gegensatz zur Endof-line-Kalibrierung stehen hier jedoch keine dedizierten Hilfsmittel, wie Marker oder Justiervorrichtungen zur Verfügung, so dass die natürliche Umgebung bei üblichen Fahrszenarien als Informationsquelle herangezogen werden muss.

Das Ziel der Online-Kalibrierung besteht in der Ermittlung der Kameraorientierung bzgl. des Fahrzeugs

Fahrerassistenzsysteme

Innenansicht des Versuchsträgers der ESG

Bisheriger Ansatz Die meisten bekannten Systeme für Online-Kalibrierung verwenden die Fahrbahnmarkierungen als natürliche Informationsquelle, um von berechneten Fluchtpunkten auf die Kameraorientierung zurück zu schließen. Dieser Ansatz schränkt zum einen die für die Kalibrierung geeigneten Umgebungsarten stark ein, weil das Vorhandensein der Fahrbahnmarkierungen erwartet wird. Zum anderen führt er zu Schwierigkeiten bei seitlich montierten Videokameras, deren Bilder eine deutlich weniger stabile Berechnung des Fluchtpunktes gestatten.

ESG-Lösung Das von der ESG prototypisch umgesetzte System verwendet als Grundlagentechnologie die visuelle Bewegungsschätzung in sechs Freiheitsgraden (6-DOF). Hierbei wird neben der Positions- auch die Orientierungsänderung ermittelt. Die visuelle Bewegungsschätzung basiert wiederum auf der Verfolgung einer relativ kleinen Menge (100 - 200) interessanter Punktmerkmale im Videostrom. Es werden dabei keine Einschränkungen auf die geometrische Anordnung dieser Merkmale (z.B. Ebene) auferlegt. Mit

einer vorgeschalteten Normalisierung der Helligkeitswerte im Videostrom erreicht man eine große Flexibilität bezüglich der für die Kalibrierung geeigneten Umgebungen und Wetterverhältnisse. Die Bilder werden zudem auf die Auflösung von 320x240px herunterskaliert, da dieser Schritt keinerlei spürbaren Auswirkungen auf das Ergebnis hat und gleichzeitig Rechenzeit spart. Anschließend findet eine Suche nach markanten, möglichst gleichmäßig im Bild verteilten, zweidimensionalen Merkmalen statt. Diese detektierten Merkmale werden im Videostrom verfolgt (optischer Fluss). Aus den ermittelten Merkmalspuren erfolgt eine Schätzung der 6-DOF-Bewegung einer Videokamera im 3D-Raum. Es wurden zwei in Genauigkeit und Ressourcenanforderung zu unterscheidende Algorithmen umgesetzt. Die auf die Bewegungsschätzung aufsetzende Logik unterteilt die Bewegung in geradlinige Abschnitte und Manöver, aus denen schließlich die eigentliche Orientierung der Videokamera geschätzt wird. Bei der Schätzung der Kameraorientierung handelt es sich um ein globales Optimierungsverfahren, so dass keine Initialisierung mit

19 Näherungswerten notwendig ist. In der aktuellen System-Version werden keine Daten des CANBuses ausgewertet; die Kalibrierung basiert ausschließlich auf der Bildverarbeitung. Die ESG hat die prototypische Realisierung einer auf der 6-DOF Bewegungsschätzung basierenden vollautomatischen Kamera-zu-Fahrzeug-Kalibrierung durch intensive Fahrerprobungen in Zusammenarbeit mit einem führenden internationalen Fahrzeughersteller erfolgreich demonstriert. Die ESG ist überzeugt, dass ein derartiges System sowohl die aufwändige End-of-line-Kalibrierung zum Bandende der Fahrzeugfertigung wie auch die späteren ServiceKalibrierungen in den Werkstätten vollständig ablösen kann und damit zur Senkung von Herstellungs- und Wartungskosten beiträgt. Es trägt außerdem zur Erhöhung der Endkundenzufriedenheit bei, indem es eine erhöhte Verfügbarkeit der kamerabasierten FAS gewährleistet und die Anzahl der nötigen Servicebesuche reduziert.

Autor:

Juri Platonov Systemberater Computer Vision

ESG Elektroniksystem-und LogistikGmbH Livry-Gargan-Straße 6 82256 Fürstenfeldbruck Telefon: +49 89 9216 0 Telefax: +49 89 9216 2631 marketing@esg.de www.esg.de

Industrielle Computertomographie

Industrielle Computertomographie kommt ganz groß raus – XXL-CT in Fürth Computertomographie (CT) ist vielen aus dem medizinischen Bereich ein Begriff. Mit Hilfe dieser Methode können dreidimensionale Bilder des Körperinneren erzeugt werden, um z.B. Krankheiten oder Verletzungen erkennen und behandeln zu können. In der Medizin ist das Untersuchungsobjekt (der Mensch) von relativ gleichmäßiger Größe und Zusammensetzung. Anders verhält es sich mit den Untersuchungsobjekten für die industrielle CT. Auch hier können so dreidimensionale Bilder des Inneren von Bauteilen, Maschinen, Behältern usw. erzeugt werden. Allerdings ist das Spektrum der zu untersuchenden Objekte viel größer, nicht nur hinsichtlich des Materials, sondern auch in der

Größe. Teile kleiner und mittlerer Größe (elektronische Bauteile bis Aluminiumräder) lassen sich mehr oder weniger problemlos mit dieser Methode prüfen und untersuchen. Große Objekte dagegen sind bisher nur schwer oder gar nicht mittels 3D-CT zu analysieren. Zum einen sind höhere Röntgenenergien nötig, um dicke Materialien zu durchdringen. Zum anderen ist die Handhabung großer Untersuchungsobjekte schwieriger. Als „groß“ bezeichnen wir hier Gegenstände wie See- oder Luftfrachtcontainer, ganze PKW oder Teile von Windkraftanlagen oder Flugzeugen. Das Fraunhofer IIS mit seinem Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT hat in Fürth eine Anlage

Ein Entwicklungsziel: 3D-Untersuchung eines ganzen PKW

errichtet, mit der diese Aufgabenstellungen angegangen werden. Die „XXL-CT“ in Fürth-Atzenhof befindet sich in einer Halle mit 400 qm Grundfläche und 16 m Höhe. Das Zugangstor ist darauf ausgelegt, dass ein LKW mit Frachtcontainer komplett hineinfahren kann. Im Inneren befindet sich eine CT-Anlage mit einem Linearbeschleuniger (Linac) als Röntgenquelle, der mit 9 MeV Energie in der Lage ist, schwere Eisengussteile, einen beladenen Frachtcontainer oder ein ganzes Auto zu durchdringen. Die momentane Ausbaustufe verwendet ein konventionelles IndustrieCT-Setup mit Linac, Drehteller und Detektor (Zeile oder Flachbild), nur eine Nummer größer als normal – der Drehteller hat eine Traglast bis zu zehn Tonnen.

Industrielle Computertomographie

Eine Möglichkeit für ein Gantry-CT-System mit einem PKW als Untersuchungsobjekt.

Noch einen Schritt weiter geht die nächste Ausbaustufe, die für 2013/2014 geplant ist. Hier wird ein Gantry-System zum Einsatz kommen, in dem Linac und Detektor auf einem Ring um das Untersuchungsobjekt rotieren. Dieses wird zur Messung auf einem Förderbandsystem durch den Ring geschoben. Dies ist notwendig, um Objekte untersuchen zu können, die nicht gedreht werden können oder dürfen. Ein Beispiel dafür ist die PrototypBemusterung von neuen PKW mit Betriebsflüssigkeiten. Momentan werden diese teilweise zerstörend untersucht, indem die

Wagen zerlegt werden. Die durch einen solchen Ring laufenden Gegenstände können prinzipiell beliebig lang sein. So ist auch die

Die XXL-CT-Testhalle in Fürth am Golfpark

21 Untersuchung von WindkraftRotorblättern, oder anderer länglicher Teile z.B. aus der Luft- und Raumfahrt möglich. Ein ganz anderes Anwendungsfeld ist die Sicherheitstechnik. Analog zu Gepäckscannern auf Flughäfen sollen hier große „Gepäckstücke“ wie Frachtcontainer untersucht werden. Es müssen Schmuggelgut, Sprengstoffe, atomare Komponenten usw. zuverlässig (und möglichst vollautomatisch) gefunden werden können. Um Methoden dafür zu entwickeln, ist die XXL-CT auch für die Untersuchung von Frachtcontainern ausgelegt. Die Möglichkeiten dieser XXLCT-Anlage sind so vielfältig wie der Bedarf aus höchst unterschiedlichen Industrien. Das Fraunhofer EZRT (das neben dieser vielleicht größten CT-Anlage der Welt auch die kleinste Anlage – genannt CTportable – entwickelt hat) forscht ständig an der Verbesserung und Weiterentwicklung des Systems, um noch genauer zu werden und neue Anwendungsfelder zu erschließen, z.B. Messtechnik. Somit stehen in Fürth einzigartiges Know-how und vielfältige Geräteausstattung zur Verfügung, um alle Aspekte der industriellen CT – von ganz klein bis ganz groß – abzudecken. Autor:

Dr. rer. nat. Norman Uhlmann Abteilungsleiter Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT

Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen Tel.: +49-(0)-911-58061-7560 Fax: +49-(0)-911-58061-7599 email: norman.uhlmann@iis.fraunhofer.de Das Fraunhofer EZRT an seinem neuen Standort am Golfpark in Fürth-Atzenhof. Ab 2013 sind neben der XXL-CT dort auch die anderen Bereiche zu finden (Die XXL-CT-Testhalle befindet sich mit neuer Fassade links oben im Bild)

web: http://www.iis.fraunhofer.de/bf/xrt/

Das GIGABOXtarget II System

Steuergeräteentwicklung

GIGABOX ist der Oberbegriff für die von GIGATRONIK entwickelte Familie von Prototypen Steuergeräten mit unterschiedlichen technischen Schwerpunkten. Die Variante „target“ der GIGABOX dient als modulare Steuergeräteplattform für seriennahe SW-Entwicklung oder schnelle Funktionsuntersuchungen in der Vorentwicklung.

Die Nachfolgegeneration der bereits in vielen Anwendungen bewährten Entwicklungsplattform „GIGABOXtarget“, die „GIGABOXtarget II“, ist ein verbessertes Werkzeug für die prototypische Hardware- und Softwareentwicklung nahe an der Zielhardware. Die „GIGABOXtarget II“ vereint die bisherigen Erfahrungen der Steuergeräteentwicklung der Komponentenentwicklung bei GIGATRONIK und das Kundenfeedback aus diversen Anwendungen aus der Praxis in einer zukunftsfähigen Plattform. Bei der Entwicklung der „GIGABOXtarget II“ wurde im Sinne einer noch schnelleren und einfacheren Adaptierbarkeit an Kundenwünsche auf drei Punkte besonders Wert gelegt.

FPGA-Einsatz Ein zentraler Bestandteil des neuen Systems und gleichzeitig die größte Neuerung, ist der Einsatz eines Lattice FPGAs als zentrales Element des Gerätes. Das FPGA ist als Signalgateway zwischen den Prozessorpins und den I/OBeschaltungen sowie Busschnittstellen vorgesehen. Somit können

GIGABOXtarget II-System mit integriertem FPGA als zentrales Element

alle digitalen Signale entweder direkt verbunden werden oder im FPGA verarbeitet werden. Durch diese Schaltungsvariante wurde die Möglichkeit geschaffen, digitale Schaltungen in VHDL zu beschreiben und das GIGABOX System durch digitale Filter, Kommunikationsmodule (CAN, I2C etc.) oder sogar weitere Prozessorkerne zu erweitern bzw. an neue Anforderungen der Hardware schnell zu adaptieren.

Bus-Konfiguration Die Erfahrung und Entwicklung der letzten Jahre haben gezeigt, dass die Bedeutung von diskreten Ein- und Ausgangssignalen bei Steuergeräten kontinuierlich abnimmt. Die Entwicklung geht spürbar in Richtung intelligenter Sensoren, dessen Informationen für das Gesamtsystem im Fahrzeug zur Verfügung stehen und überwiegend über LIN-Kommunikation an ein Steuergerät angebunden sind.

Steuergeräteentwicklung

Deswegen bietet die GIGABOXtarget II sechs frei belegbare Steckplätze für Bus-Transceiver, um eine möglichst variable Konfiguration der Kommunikationsschnittstellen zu gewährleisten. Die Konfigurationsmöglichkeiten sind von den Schnittstellen des Prozessors und von eventuellen IP-Cores im FPGA festgelegt.

Standard Schnittstellen Die Schnittstellen des GIGABOXtarget II Systems wurden bewusst einfach gehalten, um die Fertigung von Leitungssätzen zu vereinfachen. Es müssen keine teuren und teilweise schwierig verfügbaren Steckverbinder beschafft werden. Die Anbindung an ein Testsystem oder Fahrzeug kann in der Regel über Standard Sub-D Stecker mit einer angepassten Konfiguration ausgeführt werden. Ein standardmäßiger EthernetAnschluss ist ebenfalls verfügbar, um das System an eine Messtechnik oder PC anbinden zu können. Die serielle Schnittstelle wird über einen Mini-USB Steckverbinder angeschlossen. Die Schnittstellen können über eine API von der vom Kunden entwickelten Applikationssoftware angesprochen werden.

Weitere Funktionen Der Energieverbrauch der GIGABOXtarget II im „LowPower-Mode“ (z.B. Sleep) wurde zur Vorgängerversion deutlich reduziert, um die AutomotiveSpezifikationen erfüllen zu können. Ein intelligentes NetzteilKonfigurationskonzept erlaubt es, eine Vielzahl von unterschiedlichen Spannungsversorgungen zu generieren. Um kundenspezifische Prozessorderivate innerhalb kürzester Zeit anbieten zu können bzw. zu entwickeln, wurde das modulare Prozessormodul erheblich vereinfacht. Dadurch ist es möglich,

Steuergerät Funktionsmodell mit Matlab/Simulink

innerhalb von sechs bis acht Wochen ein µProzessormodul nach Kundenwunsch anbieten zu können. Bei Verwendung des GIGATRONIK Software BasisFrames muß zusätzlich die Hardware-Abstraktion für den Prozessor angepasst, um die API des Basis-Frames mit dem neuen Prozessortyp verwenden zu können Für schnelle Lösungen steht dem Nutzer der GIGABOXtarget II die Möglichkeit zur Verfügung, einfache Applikationen wie Gateways etc. mit Hilfe der PAWNSkriptsprache zu implementieren. Die PAWN Skriptsprache basiert auf einem Bytecode-Interpreter ähnlich JAVA und benötigt keine Compilerlizenz für den eingesetzten Prozessor. Des Weiteren steht für die GIGABOXtarget II ein MatLab/Simulink Blockset zur Verfügung, um mit Hilfe der modellbasierten Softwareentwicklung eine schnelle Darstellung von Steuergerätefunktionen zu erlauben. Das beschleunigt vor allem die Machbarkeitsuntersuchungen während der Konzeptphase bzw. Vorentwicklung, da hier typischerweise noch keine Serienhardware zur Verfügung steht.

Ein weiteres Einsatzgebiet der GIGABOXtarget II ist die Ausstattung von Prototypen- oder Versuchsfahrzeugen in kleineren Stückzahlen. Das Prototypensteuergerät ersetzt teures Equipment oder teure Hardware aus dem Entwicklungsbereich und reduziert dadurch merklich die notwendigen Kosten für diese Kleinserie.

Autoren:

Matthäus Konrad

Frank Vogel

GIGATRONIK Ingolstadt GmbH Am Augraben 19 D - 85080 Gaimersheim Tel: +49 8458 34 88-00 Fax: +49 8458 34 88-099 E-Mail: info-ing@gigatronik.com

Network of Automotive Excellence

Network of Automotive Excellence: Das branchenübergreifende Netzwerk NoAE ist eine freie, offene Initiative für die Mobilitätsbranchen und deren Kooperationspartner. Ausgangspunkt vor 10 Jahren waren die Automobilund Zuliefererindustrie. Daraus hat sich ein internationales und unternehmens-übergreifendes Expertennetzwerk entwickelt. Zielsetzung ist der Erfahrungsaustausch zu strategischen organisatorischen und technologischen Fragen und Herausforderungen für die Unternehmen innerhalb und außerhalb der Branchen. NoAE wurde 2002 von bekannten Persönlichkeiten der Automotive-Branche und unter Mitwirkung der Europäischen Kommission gegründet. NoAE ist überregionaler Automotive-Partner von „Kompetenznetze Deutschland“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie. Die Themenstellungen richten sich nach Markt- Branchen und Kundenforderungen - aktuell im Jahr 2012 werden folgende Projekte verfolgt: Lösungen für die Mobilität der Zukunft NoAE DMI - Designing Mobilty NoAE CCC - Content for Connected Car GreenCity Europe

Lösungen für die Mobilität der Zukunft Der NoAE Innovations-Wettbewerb wurde vor 5 Jahren als rei-

nes Automotive-Projekt gestartet und in den Jahren 2008 bis 2010 stetig weiterentwickelt. In 2011 waren erstmals 4 Themenfelder ausgeschrieben: Cluster 1: Powertrain & Electrification Cluster 2: Mobility & Communication Cluster 3: Material & Manufachturing Cluster 4: Design und Interior Dazu gab es über 270 Einreichungen aus 39 Ländern von der internationalen Jury (siehe Grafik) wurden 21 Preisträger aus 12 Ländern ausgewählt. Dieses Innovationsprojekt steht unter Schirmherrschaft des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie der Bundesrepublik Deutschland. Beim 5. Projekttag im April 2012 wurden zusätzlich die ersten Transfer-Workshops für die drei Branchen durchgeführt. Mehr Informationen zu den Preisträgern, den Transfer-Workshops und aktuelle Termine finden Sie über die NoAE-Plattform unter „Innovation“ (www.noae.com).

NoAE DMI: Designing Mobility Die „Designing Mobility Initiative“(dmi) beschäftigt sich innerhalb des Network of Automotive Excellence – NoAE mit der strategischen Rolle des kunden- bzw. nutzerzentrierten Designs in den Mobilitätsbranchen.

Die Zukunft der Mobilität erfordert immer komplexere, multidisziplinäre Antworten und setzt echtes Verständnis für die tiefer liegenden Bedürfnisse der Kunden und Kosumenten. Insofern ist eine übergreifende Kooperation aller Akteure – also neben Herstellern, Zulieferern und Engineering-Dienstleistern auch von Energieversorgern, Städten und Kommunen, sowie völlig neuen Mobilitätsdienstleistern – erforderlich.

Vorgehensweise und erwartete Ergebnisse Im Rahmen der Initiative „Designing Mobility“ werden die Methoden des Design und die Erkenntnisse der Trendforschung ein integratives Toolset liefern, dass die Grundlage für die notwendigen fach- und unternehmensübergreifenden Innovationsprozesse in der Mobilitätsbranche bildet. Kick-off zu DMI fand auf dem 5. Projekttag im April 2012 in Düsseldorf statt. Im Laufe des Jahres sind weitere Arbeitstreffen geplant. Mehr Informationen und aktuelle Termine finden Sie direkt unter www.designing-mobility.org. Ihre Ansprechpartner für konkrete Anfragen: Portrait für media mind www.noae.com

NoAE CCC: Content for Connected Car Das Automobil erfüllt neben dem Fahrerlebnis, Komfort und Sicherheit

Network of Automotive Excellence

mehr und mehr Kommunikationsmöglichkeiten, abgestimmt auf Fahrer und Insassen. Viele technische Lösungen sind bereits im Markt, täglich kommen weitere Angebote dazu. Was fehlt, sind nachhaltige und erfolgreiche Geschäftsmodelle, die den unterschiedlichen Kundenwünschen gerecht werden, aber auch den Anbietern Zukunftsperspektiven aufzeigen. Die Initiative NoAE CCC führt die unterschiedlichen Marktpartner, ob Autohersteller, Technologieanbieter zusammen und lädt zur Zusammenarbeit ein. Das Kick-off Meeting fand auf dem 5. Projekttag im April in Düsseldorf statt. Im Laufe des Jahres 2012 sind zwei bis drei weitere Arbeits- und Projekttreffen geplant.

Mehr Informationen finden Sie über die NoAE Plattform unter NoAE CCC (www.noae.com) unter "NoAE CCC".

GreenCity Europe Seit 2009 leben über 50 % der Weltbevölkerung in Städten und Ballungszentren, diese Zahl wird in den nächsten Jahren kontinuierlich wachsen. Auch der Wunsch nach Mobilität wird weiter wachsen. GreenCity Europe greift diese Herausforderungen und entwickelt gemeinsam mit Partnern aus über 10 Ländern in Europa ganzheitliche Lösungskonzepte. Das Projekt wird von Professor Tomasso, einen international anerkannten Experten aus Italien geleitet. Das Auftakttreffen fand

am 5. Projekttag in Düsseldorf statt. Mehr Informationen finden Sie auf der eigens eingerichteten Plattform http://www.noae-greencities.eu/

Autor:

Dipl.-Kfm. H. Köpplinger

NoAE Becker-Gundahl-Str. 19 D 81479 München Telefon + 49 (89) 74899-669 Mobil: + 49 (170) 52 77 666 eMail: h.koepplinger@ewf-institute.com www.noae.com

Komplexität mit System

Bordnetz

Die Herausforderungen an den Automobilbau der Gegenwart – und der Zukunft – wachsen ständig. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, verändert und erweitert sich die Funktionalität des Automobils, sei es in den Bereichen Kommunikation, Vernetzung, Unterhaltung, sei es in den Bereichen der passiven wie aktiven Sicherheit, oder sei es im Bereich des Antriebs und der Energieeffizienz. Alle diese Anpassungen an die Markterfordernisse haben dabei eines gemeinsam: Ob sie zur Einführung neuer Kamerasysteme führen, zu schnellen Bussen oder einem erweiterten Mix möglicher Antriebstechnologien, sie alle beziehen ihre Daten- und Energieströme aus dem Bordnetz. Das Bordnetz ist stets das verbindende Element, denn das Bordnetz ist das Kreislauf- und Nervensystem in jenem komplexen Organismus, zu dem ein modernes Automobil geworden ist. Und Komplexität ist die größte Herausforderung, der sich das Bordnetz derzeit stellen muss. Man stelle sich ein Uhrwerk vor, in dem mehr als tausend Zahnräder ineinandergreifen, jedes von eigener Größe und Beschaffenheit und montiert von einem Uhrmacher. Auch ein Bordnetz, und ganz besonders das Teilprodukt Kabelbaum, besteht aus bis zu eintausend Einzelteilen, jedes davon von eigener Größe und Beschaffenheit – montiert jedoch in einer nur teilweise automatisierten Produktion in Best-CostStandorten, und zwar in Stückzahlen von einigen tausend pro Tag. Im Unterschied zu einem Uhrwerk ist die genaue Zusammensetzung eines Kabelbaumes keine statische Größe. Viele seiner Bestandteile werden nur dann benötigt, wenn der Kunde bestimmte Funktionen bestellt hat. Für über 90% der Fahrzeuge im Markt gibt es daher nicht einen Kabelbaum, sondern 10, 30, oder auch noch mehr Varianten. Sie werden in Sequenz an die Montagelinie angeliefert, und zwar im Paket mit weiteren Teilkabel-

bäumen (etwa 6-8 Stück insgesamt). Eine wesentliche Aufgabe der Produktions- wie Lieferlogistik besteht darin, die Verfügbarkeit aller benötigten Kabelbaumtypen zu gewährleisten und stets die richtige Kombination bereitzustellen. Dies ist jedoch nur die Spitze eines Eisbergs. Wie eine einfache Rechnung zeigt, genügen 30 Varianten nicht, um die möglichen Ausstattungen eines modernen Fahrzeugs abzudecken: Würde der Kunde z.B. nur fünf Funktionen frei kombinieren dürfen, so würden daraus schon 32 Varianten entstehen. Fünf Funktionen bedeuten beispielsweise: Nebelscheinwerfer, Xenon, Schiebedach, Fensterheber, Raucherpaket – spätestens, wenn man über zusätzliche Motorvarianten oder Ländervarianten nachdenkt, wird die Problematik augenscheinlich. Rechnet man noch Funktionalitäten der Zukunft mit ein, wie Hybrid- bzw. Plugin-HybridVarianten oder moderne Fahrerassistenzsysteme, so explodiert

die rechnerische Variantenzahl sehr schnell über die Millionengrenze hinaus.

Angebotseffizienz Natürlich gibt es erprobte Strategien zur Lösung dieser nicht ganz neuen Aufgabe. Zuvorderst steht die Paketierung von Funktionen auf der Angebotsseite, d.h. dem Endkunden werden nur einige Ausstattungsvarianten angeboten. Dieses bewährte Mittel wird jedoch bei der Einführung weiterer Funktionen rasch an seine Grenzen stoßen, denn es beschränkt zum einen das Marketing (ist eine teilautomatisierte Fahrzeugführung nun ein Feature für Vielfahrer oder doch, als Einparkassistent genutzt, eher für den Stadtfahrer?), und zum anderen ist die Tendenz zur marktübergreifenden Plattformstrategie ungebrochen, d.h. die Bedürfnisse unterschiedlicher Zielmärkte müssen gleichzeitig bedient werden. Heute werden deshalb sogenannte „Kabelbaumstufen“ definiert, die jeweils mehrere theoretische

Bordnetz

Abb. 1: Die Stufenbildung führt zu einer scheinbaren Reduktion der Komplexität. Links ist der Vorgang der Clusterings schematisch dargestellt, rechts die Auswirkungen in Form von Reduktionskosten. Die Auswahl des Clusterings erfolgte einmal anhand technischer Ähnlichkeiten, einmal nach zusammenpassenden Features (d.h. einer Abschätzung des Kaufverhaltens) und einmal, im Rückblick, anhand eines theoretischen Ansatzes

der Kosten des einzelnen Reduktionsschritts, sondern weil sich dabei auch die vorangegangenen Reduktionsschritte erneut bemerkbar machen, denn statistisch gesehen werden erneut Funktionen verbaut, die gar nicht benötigt werden. Das bedeutet aber: Jede technische Komplexitätsreduktion ist wichtig, auch wenn durch sie alleine die Produktvarianz nicht auf den Zielwert von z.B. 32 reduziert werden kann. Aber sie verringert doch die Reduktionskosten bei der Stufenbildung.

Produktion von Komplexität Kabelbaumvarianten bedienen. Dies stellt natürlich sofort die Produkteffizienz in Frage, denn das Produkt kann in dieser Form mehr leisten, als benötigt wird. Um diese Aussage kostenseitig zu konkretisieren, wurden vergleichende Untersuchungen angestellt (Abb. 1). Ausgangspunkt war eine Kostenschätzung pro Funktion (Stecker, Leitungen, Verarbeitung etc.) sowie eine Schätzung der Kosten, die entstehen, wenn eine Funktion im Kabelbaum ungenutzt vorhanden ist (Abdeckkappen für Stecker etc.). Hat man n solcher Funktionen, so kann man daraus bei freier Kombination 2n Varianten-Kabelbäume erzeugen. Fasst man nun zwei Funktionen zusammen, reduziert sich die Komplexität von n zu n-1 und die Variantenzahl ist halbiert. Allerdings ergibt sich die Situation, dass eine der beiden kombinierten Funktionen gar nicht benötigt werden würde, also erzeugt diese Vorgehensweise spezifische Reduktionskosten. Die Aufgabe lautete nun, n so lange zu reduzieren, bis die Variantenzahl einen vorgegebenen Wert, z.B. 32, unterschreitet. Drei Teams wurden angesetzt: Eines fasste Funktionen nach rein technischen Gesichtspunkten zusammen, eines nach Funktionspaketen, und das letzte bemühte sich

um einen theoretischen Ansatz mit minimalem Ergebnis. Alle drei überprüften ihre Ergebnisse gegenüber einem realen Kaufverhalten bei freier Kombinationsmöglichkeit. Als besondere Herausforderung erwies es sich, das theoretische Minimum, also die theoretisch beste Kombination zu berechnen. Dazu wurde hausintern ein eigener Algorithmus entwickelt und in MATLAB® umgesetzt. Ausgerechnet die Mathematik der Signalanalyse lieferte den Ausgangspunkt zu diesem erweiterten Hanning-Verfahren. Die Ergebnisse machen belegbar, was vorher lediglich angenommen wurde. Sie weisen darüber hinaus einige interessante Merkmale auf: Tatsächlich erzeugen alle Zusammenfassungen (Reduktionen) Mehrkosten. Insbesondere zeigt der Test gegenüber Realdaten aber auch, dass sowohl die fachlich gestützte Zusammenfassung nach technischen Gesichtspunkten als auch die Zusammenfassung nach erwartetem Marktverhalten die deutlich schlechteren Ergebnisse liefert als der theoretische Ansatz, der leider nur im Rückblick funktioniert, und somit keinen Ausweg bietet. Wichtig ist folgende Einsicht: Je höher die Reduktion ausfällt, umso höher sind die Kosten – aber nicht nur aufgrund

Eine gänzlich andere – und ebenfalls gebräuchliche – Lösungsstrategie besteht in der Fertigung mit Losgröße 1. Hier wird jeweils die exakte Variante hergestellt und Just-in-Time (und ggf. auch Just-in-Sequence) geliefert, die der Kundenbestellung entspricht (KSK = „kundenspezifischer Kabelbaum“). Üblicherweise ist diese Lösung mit strengen logistischen Anforderungen verbunden, was zu einer räumlichen Nähe zwischen Montagestandort des Kunden und Produktionsstandort des Bordnetzes führt. Aber auch hier steckt die Tücke im Detail: Bei einer KSK-Fertigung kann jeweils nur produziert werden, was bestellt wurde. Möchte man die Durchlaufzeiten optimieren und mehrstufige Fertigungen verwenden, so bieten sich Vormontageeinheiten an – nur bleiben auch diese nicht von der Komplexitätsthematik verschont. Man verlagert die Stufenbildung lediglich vom Gesamtprodukt in das Teilprodukt, hat dabei aber mit den gleichen Aufgaben zu kämpfen. Auch hier gilt: Jeder Anstieg der Komplexität verkleinert den stabilen Anteil des Produkts. Selbst eine KSK-Fertigung ist daher an einer Begrenzung der Komplexität interessiert. Ganz zu schweigen davon, welche Wege beschritten werden müs-

Bordnetz

Abb. 2: Die Komplexität einzelner Funktionen, links als Störgröße der Stabilität gezeigt, multiplizieren bzw. potenzieren sich im Kabelbaum zu stark unterschiedlichen Gesamtkomplexitäten (rechts). Eine Analyse dieser Störung im Entwicklungsprozess liefert Ansatzpunkte zur Optimierung, z.B. über Funktionsintegration oder den Einsatz von Bus-Systemen wie Ethernet

sen, um z.B. variable Vormontageeinheiten in teilautomatisierter Fertigung zu ermöglichen.

Ansatz im System Natürlich kann – und darf – das Produkt Bordnetz die Anpassung des Fahrzeugs an moderne Markterfordernisse nicht hemmen. Im Gegenteil, es muss flexibel genug sein, um diese Entwicklun-

gen zu unterstützen und zu fördern. Um hier tragfähige Lösungsstrategien zu erarbeiten, muss das Blickfeld jedoch grundsätzlich erweitert werden. Zur Erinnerung: Physikalisch gesehen besteht das Bordnetz aus Leitungen und Steckern. Bei genauerer Betrachtung umfasst es jedoch unterschiedliche Teilnetzwerke: Da ist die Leistungsversor-

gung, die als Baumstruktur alle Verbraucher mit der Batterie verbindet und einfache Komponenten für Verteilung, Schutz der Leitung und Schaltfunktionen umfasst (Stromverteiler). Daneben existiert äquivalent die Masseanbindung, die heute größtenteils über die Karosserie erfolgt, spätestens bei Einführung von Karosserien aus Karbonfasern

Abb. 3: Funktionen erstrecken sich über weite Bereiche des Fahrzeugs und stören auch dort die Komplexität, wo sie funktional nicht sichtbar sind. Zu sehen ist jeweils die Anzahl der auf einen Teilbereich beschränkten Funktionen (Kreise) sowie die Anzahl jener, die sich über mehrere Teilbereiche erstrecken (Pfeile). Zur Funktionspartitionierung gehört deshalb eine entsprechende Analyse und Optimierung. Durch eine zonale Architektur erreicht man z.B. im Cockpit-Bereich eine gute Stabilität

Bordnetz

Abb. 4: Komplexität von Datennetzwerken und Bus-Systemen. Ziel ist ein einheitlicher Datenbus, der unter anderem die Komplexität des Bordnetzes zu begrenzen hilft

jedoch eigene Netzwerke erzeugen wird. Über diese beiden Baumstrukturen legt sich ein Netzwerk aus Datenanbindungen, manche analog, manche Digital und Punkt-zu-Punkt (Beispiel LVDS), manche Sternstrukturen wie CAN oder LIN, manche Ringe wir der optisch realisierte MOST. Jede neue Funktion fügt zum Bordnetz einen neuen Ast, einen neuen Arm eines Sterns oder einen neuen Abschnitts eines Rings hinzu, und das in jedem Segment, in dem die dazugehörigen Leitungen gemeinsam verlegt werden. Die Komplexität dieser neuen Funktion wird dadurch über weite Teile des Produktes Kabelbaum „verschmiert“ (Abb. 2, Abb. 3). Und hierin liegt genau ein Ansatzpunkt, um die Komplexität in den Griff zu bekommen: Es gilt, diese „Verschmierung“ zu kontrollieren. Das bedeutet, dass Funktionsentwicklung und Bordnetzentwicklung auf Ebene des Gesamtsystems (oft E/EDS – „Electrical/Electronical Distribution System genannt) und Hand in

Hand erfolgen müssen. Gemeinsam tragen sie Sorge, dass Komplexität auf Teilbereiche des Bordnetzes begrenzt bleibt. Oft genügt es beispielsweise, die benötigten Eingänge und Ausgänge richtig auf die beteiligten Steuergeräte zu verteilen, um eine deutliche Komplexitätsreduktionen zu erzielen. Wie gezeigt werden konnte, lassen sich so die Voraussetzungen schaffen, um das Produkt von Losgröße 1 auf einen Stufenkabelbaum umzustellen. Allerdings erfordert eine solche Funktionspartitionierung ein kombiniertes Fachwissen im Bereich der Steuergeräteauslegung, der Bus-Kommunikation sowie des Kabelbaums, um eine über alle Komponenten optimale Lösung zu erzeugen.

Bus-Systeme und gemeinsame Netzwerke Dieser Ansatz der Entwicklung im Systemverbund weist zugleich den Weg für weitere Maßnahmen. Eine Beobachtung besteht in der Komplexitätsreduktion durch Verwendung von Bus-

Systemen: Jedes Signal, das per Bus und nicht per Leitung übertragen wird, reduziert automatisch die Komplexität des Bordnetzes. Besonderes Augenmerk gehört daher der Zukunftsfähigkeit der Bus-Systeme. Hier muss die Integration vorangetrieben und ein Nebeneinander konkurrierender Systeme und Technologien vermieden werden – ein gemeinsamer Datenbus, an den alle wichtigen Teilnehmer des Systems angebunden sind, wäre das Ziel und würde die geringste Komplexität ergeben (Abb. 4). Diese Beobachtung war einer der Gründe, warum wir das Thema Ethernet von Anfang an nicht nur unterstützen, sondern als Mitglied des SINAI-Konsortiums auch sehr früh in Vorleistung gingen, denn nur ein gemeinsamer Datenbus ermöglicht langfristig schlanke Bordnetze und damit das benötigte Wachstumspotential. Ethernet mit seiner technologischen Basis aus dem Massenmarkt und seiner Umsetzungsmöglichkeit mit minimalen Verkabelungskosten eröffnet derzeit die besten Potenziale – für Punkt-zu-PunktAnwendungen, für klassische Bus-Systeme und in Zukunft wohl auch für zeitkritische Anwendungen.

Stromversorgung als Kernthema Während die Branche auf dem Weg ist, im Bereich der BusSysteme wichtige Schritte zu vollziehen, ist im Bereich der Leistungsversorgung eher das Gegenteil zu befürchten. Schon heute macht sich die Komplexität der Motorvarianten deutlich im Bordnetz bemerkbar; wenn nun Hybrid- und Elektroantriebe hinzukommen, begleitet von elektrifizierten Nebenaggregaten und unterschiedlichen Spannungsebenen, so multipliziert sich die Variantenzahl übermäßig (Abb. 5). Hauptaugenmerk muss auf der Kapselung solcher Funktionen in

Bordnetz

Abb. 5: Plattformen mit variablen Antriebs- und Energieversorgungsoptionen (Elektrovariante, Hybridvariante neben Diesel- und Benzinmotoren) erhöhen die Anforderungen an die Auslegung des Versorgungsbordnetzes. Hierbei gilt es besonders, die E/EDS-Architektur und die Schnittstellen stabil und optimal auszulegen, denn der Anzahl und Varianz der Versorgungsleitungen wird zunehmen

Teilkabelbäume liegen, aber auch ganz besonders in den neu entstehenden Schnittstellen für Energie und Kommunikation; gelingt es nicht, diese Schnittstellen plattformweit einheitlich zu gestalten, multipliziert sich neben der funktionalen Komplexität auch noch die geometrische Varianz des Kabelbaums, was zu erhöhten Aufwendungen in der Produktion führt. Die Integration der Hochund Mittelspannungsversorgung in Großserienanwendungen muss alle Aspekte berücksichtigen, eben auch die Einschränkungen und Möglichkeiten des Kostenfaktors Bordnetzes. Wie ein internes Benchmark zeigt, liegen in der Architektur des zukünftigen Bordnetzes noch deutliche Einsparpotentiale. Im Themenfeld des Energiebordnetzes führt der Druck durch Komplexität jedoch auch zu neuen Chancen durch alte technische Ansätze. Die Produktion eines Kabelbaums ist vergleichsweise flexibel – ob nun für 30 Stufen

oder in Losgröße 1. Selbst bei Einschränkung auf z.B. 16 Stufen vermag ein Kabelbaum weit mehr Varianten abzubilden als dies ein klassisches Steuergerät oder ein Stromverteiler kann. Welche Vorteile können daraus entstehen? Im Gegensatz zum typischen Steuergerät ist ein Stromverteiler mit Stromschienen, Sicherungen und Relais ein naher Verwandter des Kabelbaums und überdies ein Knoten im Versorgungsnetz. Naheliegend ist es daher, diese Produkte wieder verstärkt in den Kabelbaum zu integrieren und dabei die vorhandene Flexibilität auszuspielen: So können Stromverteiler jeweils mit genau der benötigten Ausstattung erzeugt werden. Diesen Gedanken auch in den Bereich Mittel- und Hochspannung zu tragen, ist ein Entwicklungsschritt der Zukunft.

Komplexität ist Zukunft

Wie also wird diese Zukunft möglicherweise aussehen? Funktionsumfang und Komplexität wer-

den steigen. Ein gemeinsamer Datenbus wird helfen, die Komplexität zu kontrollieren und zukünftige Wachstumspotentiale zu erschließen. Die geschickte Anordnung energietechnischer Schnittstellen, die optimale Bauform unter Ausnutzung der Fähigkeiten einer modernen Kabelbaumproduktion und die im Gesamtsystem erfolgte Zuordnung zwischen Funktion und Komponenten wird deren Kostenstrukturen nachhaltig optimieren und gleichzeitig die Varianz des Kabelbaums so begrenzen, dass heute verwendete Lösungsstrategien ausreichend weiterentwickelt werden können. Die Auslegung eines solchen Fahrzeugs berücksichtigt bereits frühzeitig die Anforderungen und Eigenschaften des Bordnetzes und begegnet Risiken durch eine gemeinsame Entwicklung und Integration von Funktion, Software, Elektronik, Elektrik und Verkabelung zu einem flexiblen, aber auch stabilen Gesamtsystem. E/EDS lautet die Lösung, aber auch die Aufgabe, um Komplexität von einem Risiko zu einer Chance zu entwickeln.

Autor: Goetz Roderer Director Central Engineering

S-Y Systems Technologies Europe GmbH A Joint Venture of Continental and Yazaki CE Im Gewerbepark B32 93059 Regensburg Phone: +49 (941) 2985-227 Fax: +49 (941) 2985-165 E-mail: Goetz.Roderer@Systech-eu.com www.systech-eu.com

S-Y Systems Technologies Europe GmbH Vor zehn Jahren haben frühere Bereiche der Continental AG und der japanische Yazaki-Konzern begonnen, ihre Aktivitäten in den Bereichen der Bordnetz- und elektrischen Fahrzeugarchitektur zu bündeln. Daraus entstanden ist die S-Y Systems Technologies Europe GmbH, ein leistungsstarkes Bündnis zweier global operierender Großunternehmen, das mittlerweile in der Optimierung von elektronischen und elektrischen Bordnetzsystemen (E/EDS) führend ist. S-Y Systems entwickelt, steuert und vertreibt Leitungssätze inklusive der dazugehörigen Komponenten für die Bordnetzelektronik in Automobilen. Zum Portfolio zählen auch Leistungen in den Bereichen Marketing, Logistik, Herstellungsplanung und Qualitätsmanagement. Zielsetzung ist es, ganzheitliche und einfache Lösungen für komplexe Fragestellungen aus einer Hand zu bieten. „Wir optimieren die Wertschöpfungskette unserer Kunden für hochwertige wirtschaftliche Lösungen mit dem Anspruch, auf Anhieb das Richtige zu tun“, sagt Geschäftsführer Kenneth Francis. Die Unternehmenszentrale von S-Y Systems, das in den drei Bereichen Fertigung, Entwicklung und Vertrieb tätig ist, befindet sich seit 1998 in der Weltkulturerbestadt Regensburg. Zu den langjährigen Kunden zählen unter anderem BMW, Ford und Renault. Durch die optimale Bündelung aller Kernkompetenzen und -technolo-

S-Y Systems – einfache Lösungen für komplexe Systeme

gien unter einem Dach verfügt S-Y Systems über das Know-How und sämtliche Produkte, die der Automobilmarkt rund um das Thema Bordnetz- und elektrische Fahrzeugarchitekturen benötigt. Bei der Produktion kommen modernste ein- und mehrstufige Fertigungskonzepte zum Einsatz, die dem Kunden maximale Flexibilität und Liefertreue bis hin zur Fertigung großer, kundenspezifischer Kabelbäume bieten. Durch wertschöpfungsorientierte Produktion sowie kleine, flexible und kundennahe Teams erzielt S-Y Systems eine einzigartige Flexibilität verbunden mit den hochwertigen Ergebnissen einer Serienproduktion. Dabei werden die Produktionskonzepte schon im Laufe der Entwicklung auf die spezifischen Anforderungen und Wünsche der Kunden ausgerichtet, was höchste Individualität und Zufriedenheit garantiert. „So sorgen wir für ein optimales homogenes Ergebnis. Mehr noch, wir denken stets weiter, wenn wir Konzepte für unsere Kunden ent-

wickeln. Dabei haben wir mögliche Chancen und Risiken immer im Blick“, erklärt Francis. „Überhaupt ist die Nähe zum Kunden einer der Garanten für die richtigen Lösungen und Konzepte. Nur wenn wir alle Prozesse der Fertigung unserer Kunden kennen, sind wir in der Lage ein individuelles, maßgeschneidertes Konzept zu liefern.“ Stetig verfolgter Grundsatz ist dabei die maximale Zufriedenheit des Kunden. „Spitzenleistungen allgemein genügen da nicht – das Ziel ‚Null Fehler‚ erreicht man nur mit frühzeitiger Planung und konsequenter Umsetzung aller notwendigen Maßnahmen. Qualität ist für uns von Anfang an ein Schlüsselfaktor. Hundertprozentige Umsetzung der Kundenanforderungen sowie ständige Verbesserung unserer Produkte und Prozesse sind unser Tagesgeschäft sowohl in der Entwicklung als auch in der Produktion.“ Autor: Kenneth Francis Seit 1. März 2010 Geschäftsführer von S-Y Systems

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Gebündeltes Know-How für optimalen Kundennutzen

Nachhaltiges Antriebskonzept für den Stadt- und Pendelverkehr Die stetige Reduktion des CO2-Austoßes von Fahrzeugen stellt heute eine große Herausforderung dar. Möglichkeiten bieten diesbezüglich die Einführung neuer Technologien beim Verbrennungsmotor sowie die schrittweise Elektrifizierung des Antriebstrangs. Allerdings müssen dabei insbesondere im Kleinwagensegment die Systemkosten im Blick behalten werden. Zusätzlich dazu ist bei der Bewertung der unterschiedlichen Antriebslösungen darauf zu achten, dass auch die Energiebereitstellung bzw. die Kraftstofferzeugung mitbetrachtet wird, da dies die Voraussetzung für nachhaltige Fahrzeugantriebe darstellt. Am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der TU München wird hierzu ein Antriebskonzept für den Stadt- und Pendelverkehr auf Basis eines magerbetriebenen luftgekühlten Motors untersucht. Motorkonzept

Antriebskonzept

Bei der Entwicklung des Antriebstrangs wurden neben Kraftstoffverbrauch und Emissionen auch Kosten und Nachhaltigkeit als wichtige Zielgrößen definiert. Die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs wurde aufgrund des angestrebten Einsatzbereiches auf 120km/h festgelegt. Die Basis für den Antrieb bildet ein 2-Zylinder-Motor, da mit diesem die Leistungsanforderungen für den

Abb. 1: Motorkonzept

Stadt- und Pendelverkehr ausreichend dargestellt werden können und sich zudem im Vergleich zu den heute verbreiteten 3-Zylinder-Motoren Kostenvorteile ergeben. Die Eckpunkte des Motorkonzepts sind in Abb. 1 dargestellt. Als Kraftstoff für den Verbrennungsmotor wurde Erdgas gewählt, da durch das günstigere C/H-Verhältnis von Erdgas im Vergleich zu Ottokraftstoff bezo-

gen auf den Energieinhalt die CO2-Emissionen um ca. 20% verringert werden [3]. Zudem besteht die Möglichkeit Erdgas durch Biogas zu substituieren und dadurch kraftstoffseitig unabhängig von fossilen Energieträgern zu werden. Durch den Ausbau von erneuerbaren Energien, insbesondere der Wind- und Sonnenenergie, entsteht die Herausforderung, den regenerativ erzeugten Strom zu speichern. Hierfür bietet sich das vorhandene Erdgasversorgungsnetz aufgrund seiner Kapazität und seiner ausgeprägten Infrastruktur an. Aus dem überschüssigen Strom kann Methan erzeugt und anschließend im Gasnetz gespeichert werden. Dieses Methan kann dann sowohl für die bedarfsgerechte Stromerzeugung oder den Betrieb von Gasfahrzeugen genutzt werden. Durch Erdgasfahrzeuge kann somit eine Verknüpfung von Mobilität und erneuerbaren Energien gelingen, wobei auf eine vorhandene Speicherinfrastruktur zurückgegriffen werden kann. In Pilotprojekten werden derzeit derartige Möglichkeiten untersucht [1]. Beim Brennverfahren des Gasmotors wird der Ansatz eines

Antriebskonzept Magerkonzeptes verfolgt. Die magere Verbrennung von Erdgas wird bislang vor allem bei großen Industriemotoren zur Erreichung hoher Wirkungsgrade eingesetzt. Durch den überstöchiometrischen Betrieb im Vergleich zum konventionellen λ=1-Konzept sinken zudem die Stickoxidemissionen aufgrund des geringen Temperaturniveaus. In Verbindung mit der mäßigen Leistungsanforderung aufgrund der zielgerichteten Auslegung für den Stadt- und Pendelverkehr bietet sich die Möglichkeit den Motor mit einer Luftkühlung auszuführen, wodurch sich ein kostengünstiges Motorkonzept ergibt. Aufgrund des Magerbetriebs kann für die Abgasnachbehandlung nicht auf den bei Ottomotoren standardmäßig verbauten 3-WegeKat zurückgegriffen werden. Um auf kostenintensive Abgasnachbehandlungsmaßnahmen wie beispielsweise den NOx-Speicherkat verzichten zu können, wird versucht die Stickoxidemissionen so weit zu senken, dass der gültige Abgasgrenzwert für die Stickoxidemissionen ohne Abgasnachbehandlungssystem erreicht wird. In diesem Fall kann ein Oxidationskatalysator für die Nachbehandlung der HC- und CO-Emissionen eingesetzt werden. An Stelle einer Neukonstruktion des Motors wird als Basis für die Untersuchungen ein luftgekühlter 2-Zylinder Dieselmotor der Firma Hatz verwendet, der auf Erdgasbetrieb umgerüstet wurde.

Abb. 2: Variable Erdgaseinblasung in die Ansaugstrecke

des Brennverfahrens hinsichtlich Wirkungsgrad und Emissionen wurden daher unterschiedliche Einblasepositionen konstruiert. Direkt in die Ansaugstrecke des Motors wurde eine drehbare Einblasung von oben in das Saugrohr

Variable Gaseinblasung Die Kraftstoffzufuhr erfolgt in das Saugrohr des Motors. Eine Besonderheit bei gasförmigen Kraftstoffen im Vergleich zu Flüssigkraftstoffen ist die weniger stark ausgeprägte Gemischbildung während des Einblasevorgangs, weshalb die Lage der Gaszufuhr Auswirkungen auf den Motorbetrieb zeigen kann [2]. Für die Entwicklung und Optimierung

Abb. 3: Gaseinblasung vor Verdichter

realisiert. Die Gaseinblasedüse weist von der vertikalen Lage aus einen Verstellbereich von 60° sowohl in als auch entgegen der Ansaugrichtung auf. Insgesamt ergibt sich somit eine stufenlose Schwenkmöglichkeit von 120°,

Antriebskonzept

34 welche in Abb. 2 dargestellt ist. Neben dieser Variabilität sind motornah eine Einblasung zentral in das Saugrohr und eine Eindüsung direkt vor die Einlassventile vorgesehen. Außerdem verfügt der Motor über eine motorferne Gaseinblasung vor dem Verdichter, welche für die Inbetriebnahme und die Erstapplikation des Motors genutzt wurde. Der Vorteil dieser in Abb. 3 gezeigten Einblaseposition liegt in der guten Aufbereitung des Luft-Gas-Gemisches, weshalb beim Ansaugen von einem homogenen Gemisch ausgegangen werden kann.

Applikation Für die Applikation und den Betrieb des Motors ergeben sich sowohl durch die Leistungsanforderung des Stadtverkehrs, durch den verwendeten Basismotor, als auch durch das Magerbrennverfahren Anforderungen und Einschränkungen: Darstellung eines ausreichenden Motordrehmoments Einhaltung der Belastungsgrenzen des Basisaggregats Geringe Stickoxidemissionen Geringer Kraftstoffverbrauch Hohe Laufruhe und geringe Zyklenschwankungen In der lehrstuhleigenen Arbeitsprozessrechnung wurde zunächst die Volllastkurve des Motors vorausberechnet. Hierzu wurde der Dieselmotor als Motormodell abgebildet und anhand von Prüfstandsmessungen der Firma Hatz abgestimmt. Anschließend erfolgte die Modifikation des Modells für den Magergasbetrieb. Über die Arbeitsprozessrechnung wurden Verdichtungsverhältnis, Ladedruck und Luftverhältnis dergestalt optimiert, dass die Spitzen-

Abb. 4: Maßgebliche Applikationsparameter

werte von Zylinderdruck und Brennraumtemperatur im Bereich des Dieselbetriebs lagen. Anschließend wurde eine Basisapplikation am Motorprüfstand durchgeführt. Das ermittelte Spitzendrehmoment von 57Nm liegt dabei leicht über dem in der Arbeitsprozessrechnung vorausberechneten Wert. Gleichzeitig konnte die Einhaltung der zulässigen Temperaturen im Bereich des Zylinderkopfes, der Laufbuchse und der Abgaskrümmer des luftgekühlten Motors am Prüfstand nachgewiesen werden. Bei der Erstapplikation des Teillastbereichs wurden geringe Stickoxidemissionen bei gleichzeitig niedrigem Kraftstoffverbrauch als Ziel verfolgt. Durch Verbrennungsluftverhältnisse zwischen 1,4 und 1,6 konnten in Verbindung mit angepassten Zündwinkeln sehr niedrige NOx-Emissionen im Bereich von 0,4g/kWh erzielt werden. Im leerlaufnahen Niedriglastbereich lag der Fokus auf einer hohen Verbrennungsstabilität mit geringen Zyklenschwankungen. Dies wurde durch eine Verringerung des Luftverhältnisses auf 1,3 erreicht, wodurch in diesem Bereich die spezifischen Stickoxid-

emissionen höher liegen als im Teillastbetrieb. In Abb. 4 sind die Bereiche für die erläuterten maßgeblichen Zielparameter der Basisapplikation und die gemessenen Werte des Verbrennungsluftverhältnisses dargestellt. Die dabei erreichten NOxEmissionswerte sind bereits vielversprechend vor dem Hintergrund der innermotorischen Erreichung des gesetzlichen Abgasgrenzwertes. Im Hinblick auf die Abgasgesetzgebung stellen bei Erdgasmotoren die HC-Emissionen eine nicht zu unterschätzende Herausforderung dar, da es sich bei den Kohlenwasserstoffen hauptsächlich um Methan (CH4) handelt. Die Umsetzungstemperaturen für Methan liegen oberhalb von 400°C und damit deutlich über denen für Ottokraftstoff. Da die Abgastemperaturen im Magerbetrieb ohnehin niedrig ausfallen, wird als Aufladeeinheit ein mechanisch angetriebener Lader verwendet, um der Abgasnachbehandlung der HC-Emissionen ein möglichst hohes Temperaturniveau zur Verfügung zu stellen. Die Abgastemperaturen liegen bei obiger Applikation im gesamten Kennfeldbereich zwischen 500°C und 600°C.

Antriebskonzept

Abb. 5: Hybridantriebstrang in Parallelstruktur

35 beim Verbrennungsmotor wird versucht, ein auf die Anforderungen des Stadt- und Pendelverkehrs abgestimmtes kostengünstiges System zu entwickeln. Dabei werden neben elektrischen Lösungen auch bislang nicht in Serienfahrzeugen eingesetzte hydraulische Systeme betrachtet.

Antriebstrang

Charakteristisch für den Stadtverkehr ist einerseits der Stop&GoBetrieb, wo durch den Einsatz eines Start-Stopp-Systems Kraftstoff eingespart werden kann. Andererseits wird der Verbrennungsmotor bei Fahrten mit niedriger Geschwindigkeit im Niedriglastbereich betrieben, in welchem das spezifische Emissionsniveau höher liegt als im oberen Teillastbereich. In diesen Betriebspunkten ist eine Lastpunktanhebung sinnvoll, um die Emissionswerte des Motors zu senken. Aus diesen beiden Aspekten folgt, dass für das Antriebskonzept der Einsatz eines Hybridsystems äußerst sinnvoll erscheint, zumal es zusätzlich Energierückgewinnung in Schubphasen (Rekuperation) und eine Performancesteigerung (Boost) bietet. Die Struktur des Antriebstrangs wird als Parallelhybrid ausgeführt, um die aufgeführten Betriebsmodi darstellen zu können. Der Antriebstrang mit Verbrennungsmotor, Hybridkomponenten, Kupplung und Getriebe ist in Abb. 5 schematisch dargestellt. Ebenso wie

Ausblick Nach der erfolgreichen Basisapplikation des Motors werden derzeit Versuche mit den variablen Einblasepositionen am Motorprüfstand durchgeführt. Zudem erfolgt eine Optimierung der Brennraumgeometrie über eine 3D-CFD-Simulation. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Kolbenmuldengeometrie, durch welche die Luftbewegung im Brennraum und somit der Verbrennungsablauf und die Emissionsentstehung beeinflusst werden können. Neben der mechanischen Aufladung werden auch Konzepte mit Abgasturboaufladung betrachtet. Die notwendige Leistung und ideale Speichergröße des Hybridsystems werden ermittelt und die unterschiedlichsten Systeme in einer Gesamtfahrzeugsimulation gegenüber gestellt.

Quellen

[1] Otten, R.: Audi e-gas-Projekt. 6. Tagung Gasfahrzeuge. Die ehrliche und wirtschaftliche CO2-Alternative, Stuttgart, 2011.

[2] Otto, F., Rößler, K., Bertram, C.: Potenziale des aufgeladenen monovalenten Erdgasmotors beim PKW. 11. Tagung „Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors“, Graz, 2007. [3] Rodt, S. et al.: CO2-Emissionsminderung im Verkehr in Deutschland – Mögliche Maßnahmen und ihre Minderungspotenziale, Ein Sachstandsbericht des Umweltbundesamtes. Dessau-Roßlau, 2010. Autoren: Dipl.-Ing. Sebastian Wohlgemuth

Prof. Dr.-Ing. Georg Wachtmeister

TU München Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Motorenlabor Schragenhofstr. 31 80992 München Tel.: 089-289-24101 E-Mail: wohlgemuth@lvk.mw.tum.de wachtmeister@lvk.mw.tum.de www.lvk.mw.tum.de

Kunststoffschweißen in der dritten Dimension Laser-Kunststoffschweißen zeichnet sich durch minimale Materialbelastung und hochwertige Schweißnähte aus. Die LPKF Laser Welding Division in Erlangen entwickelt leistungsfähige Lasersysteme und innovative Verfahren.

Die Schweißenergie wirkt direkt in der Schweißnaht Laser-Kunststoffschweißen kann gleichartige oder auch unterschiedliche

Makellos: Das Laser-Kunststoffschweißen ist partikelfrei und benötigt keine weiteren Zusatzstoffe

Kunststoffe miteinander verbinden, sofern deren Schmelzpunkte einigermaßen dicht beieinander liegen. Durch die breite Palette geeigneter technischer Kunststoffe öffnen sich Potenziale für leichtere, kleinere und wirtschaftlichere Produkte. Für große Bauteile bietet sich das patentierte TwinWeld-Verfahren an: Der Laserkopf ist an einem Roboterarm montiert. Ein Wärmefeld unterstützt den Schweißvorgang, das reduziert Materialspannungen und erhöht die Schweißgeschwindigkeit. Eine frei drehbare Spannrolle am Roboterarm macht teure Spannwerkzeuge überflüssig. Mit diesem Verfahren lassen sich z.B. große Hohlkörper wie Tanks, aber auch Schiebedächer oder anspruchsvolle Fahrzeugrückleuchten sicher herstellen.

Geeignet für jede Produktionsumgebung Die Schweißenergie wirkt direkt in der Schweißnaht

LPKF Laser Welding entwickelt seit mehr als zehn Jahren Systeme für das Laser-Kunststoffschweißen. Das Unternehmen ver-

fügt über ein eigenes Applikationszentrum und einen Reinraum. Rund 20 Prozent der Mitarbeiter sind im Bereich Forschung und Entwicklung beschäftigt. Das Angebot umfasst StandAlone-Systeme für Klein-, Mittel- und Großserien. Die LPKF LQ-Integration fügt sich durch ihren schmalen Schweißkopf schnell in kundeneigene Produktionslinien ein. Das Applikationszentrum unterstützt Interessenten bei der Prozessqualifizierung und -entwicklung, ein ortsansässiges Tochterunternehmen kann Auftragsproduktionen übernehmen oder den Ramp-Up-Prozess beschleunigen.

Autor:

Dipl.-Ing. Frank Brunnecker Vice President Laser Welding

LPKF Laser & Electronics AG, Bereich Laser Welding Gundstraße 15 91056 Erlangen/Deutschland Tel.: +49 (9131) 61657-0 Fax: +49 (9131) 61657-77 info.laserwelding@lpkf.com www.lpkf-laserwelding.de

Kunststoffschweißen

Laser-Kunststoffschweißen ist partikelfrei, benötigt keine weiteren Zusatzstoffe und kann bereits im Fügevorgang sicher überwacht werden. Darüber hinaus entfallen mechanische Belastungen, und der Prozess führt zu optisch hochwertigen Schweißnähten – gute Voraussetzungen für den Einsatz in der Automobilindustrie. Beim Laser-Kunststoffschweißen durchdringt der Laserstrahl das obere, lasertransparente Bauteil und schmilzt erst den unteren Fügepartner. Durch Wärmeübertragung schmilzt auch das Oberteil im Bereich der Schweißnaht. Nach der Abkühlung sind beide Bauteile sicher miteinander verbunden – das stellen verschiedene Verfahren zur Qualitätskontrolle noch im Schweißprozess sicher.

Stahl – ein High-tech Werkstoff im Automobilbau

Werkstoff Stahl

Das ausgewogene Eigenschaftsprofil ist der Grund, dass der Werkstoff Stahl gegenwärtig und wohl auch in den nächsten Jahren der am meisten verwendete metallische Strukturwerkstoff des Maschinenbaus und des Bauwesens ist bzw. sein wird. Obwohl es schon heute unzählige Stahlsorten gibt, unternimmt die Stahlindustrie große Anstrengungen, neue und verbesserte Varianten bereit zu stellen. Ein erheblicher Teil dieser Entwicklungen wird von der Automobilindustrie initiiert. Die diametralen Forderungen, die Masse von Karosserien zu reduzieren, um den Treibstoffverbrauch der Automobile zu senken, als auch die Sicherheit der gebauten Strukturen zu verbessern, führten ab 1995 zu Erzeugung und Einführung neuer Stahlfeinblechsorten mit gesteigerter Festigkeit und verbesserter Verarbeitbarkeit (Umformen, Fügen, Beschichten). Abb. 1 zeigt einen Vergleich der 1995 und 2010 in Automobilkarosserien verbauten Stahlfeinbleche. Deutlich sind daraus die

Erfolge hinsichtlich gesteigerter Festigkeit und/oder Duktilität abzulesen. Dieser Beitrag versucht einen Überblick zu den wichtigsten Stahlfeinblechen im Automobilbau zu geben. Dabei sollen ihre Herstellung, die Mikrostruktur und die davon bestimmten Eigenschaften beleuchtet werden. Abgeschlossen wird mit einem Ausblick auf neue Entwicklungen.

Festigkeits- und Umformeigenschaften von Stahlfeinblechen Die auch gegenwärtig wichtigste Methode zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Stahlfeinblechen ist der Zugversuch. Aus der technische-Spannung (σ) – technische-Dehnung (ε) – Kurve werden die Dehngrenze (meist Rp0,2) – bei Sorten mit ausgeprägter Streckgrenze – die obere (Reh) und untere (Rel) Streckgrenze, die Zugfestigkeit (Rm) sowie die Gleichmaßdehnung (Ag) und die Bruch-

Abb. 1: Verwendung von Stahlfeinblechgüten im Automobilbau 1995 und 2010

dehnung (A80, A50, … je nach Probenlänge) bestimmt. Das Verfestigungsverhalten der Materialien wird aus einer parabolischen Näherung der wahre-Spannung (σW) – logarithmische-Dehnung (ϕ) – Kurve aus ln σW = ln k + n ln ϕ , k … Konstante, n … Verfestigungsexponent, bestimmt. Für Werkstoffe, deren Verfestigungsverhalten stark von ϕ abhängt, wird auch der Wert, nϕ1 −ϕ2, ermittelt aus einer lokalen Näherung zwischen zwei Dehnungswerten ϕ1 und ϕ2, zur Bewertung herangezogen. Das Verhältnis der Breiten- zur Blechdickenverformung, ϕB/ϕD, wird als r-Wert bezeichnet, der eine direkte Konsequenz der herstellungsbedingten kristallographischen Textur des Werkstoffs ist. Auch genannt plastische Anisotropie oder Lankford-Zahl, gehen hohe r-Werte mit guter Tiefziehfähigkeit des Stahlblechs einher. Zahlreiche weitere Charakterisierungsmethoden sind gebräuchlich, wie etwa Zugversuche zwischen – 40 °C und + 100 °C, Zugversuche bei Dehnraten bis zu etwa 100 s-1, Ermüdungsversuche, sowie ein- und mehrachsige Belastungsversuche, die zu Ermittlung von Grenzformänderungsdiagrammen dienen. Vor allem bei komplexen Umformoperationen zeigt sich, dass Kennwerte aus dem Zugversuch das Umformverhalten nur ungenügend genau charakterisieren. Biegen mit kleinen Biegeradien und das Streckziehen von Flügelflanschen führt vor allem in Anwesenheit von gestanzten Kanten zu unerwarteter Rissbildung in den umgeformten

Werkstoff Stahl Bauteilbereichen. Aus diesem Grund finden jüngst weitere Tests Eingang in Prüflabors. Beim Lochaufweitversuch wird ein gestanztes, gebohrtes oder erodiertes Loch mit einem konischen Dorn aufgeweitet. Die auf den Anfangslochdurchmesser d0 bezogene Änderung des Lochdurchmessers ∆d beim Auftreten eines Risses durch das Blech im Lochrand wird Lochaufweitdehnung genannt, ∆d λ =  ⋅100 %. d0 Bei gestanzten Löchern ermittelt man das Lochaufweitverhalten eines vorgeschädigten Materials. In Biegeversuchen wird mittels verschiedener Biegewerkzeuge meist der minimale Biegeradius – oft bezogen auf die Blechstärke – ermittelt, bei dem gerade noch kein sichtbarer Riss auf der Blechoberfläche sichtbar ist.

Verfestigungsmechanismen in Stahlfeinblechen Da vor allem eine erhöhte Festigkeit wichtige Beiträge zum Stahlleichtbau leistet, werden in diesem Abschnitt die nutzbaren festigkeitssteigernden Mechanismen erläutert. Die Einstellung des erwünschten Festigkeitsniveaus erfolgt durch eine kontrollierte Einstellung der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur. Stahl eröffnet dafür vielfältige Möglichkeiten, die sich aus der Austenitumwandlung bei der Abkühlung von hohen Temperaturen ergibt. Die grundlegenden festigkeitssteigernden Mechanismen sind: Mischkristallhärtung durch substitutionell oder interstitiell gelöste Legierungsatome, die zu einer Festigkeitssteigerung ∆σMKH führt. Oft findet man ∆σMKH = k √c , mit der Konzentration c des Legierungselements. Die Konstante k hängt (unter anderem) von der Art des Legierungselements ab. Verschiedene Legierungselemente können in ihrer Wirkung näherungsweise addiert werden. Mangan, Silizium und Phosphor sind die wichtigsten Legierungselemente in Kohlenstoffstählen. Phosphor kann allerdings versprö-

dend wirken, da es durch Segregation an den Korngrenzen die Kohäsionsfestigkeit benachbarter Körner herabsetzt. Man kann dies verhindern, indem ausreichende Mengen an Kohlenstoff und/oder Bor die Wanderung von Phosphor an die Korngrenzen unterbinden. Dies gelingt sehr gut bei den konventionellen hochfesten Stählen, wie z. B. bei den Bake-hardening (BH)- oder den höherfesten IFStählen. Interstitiell gelöster Kohlenstoff und Stickstoff erhöhen die Festigkeit des Eisens markant. Die Löslichkeit beider ist jedoch sehr gering und sie diffundieren auch bei Raumtemperatur im Eisengitter. Zu große Mengen führen zur Ausbildung von Fremdatomansammlungen in der unmittelbaren Umgebung von Versetzungen und/ oder zur Ausscheidung feiner Partikel. Dies führt zur Erhöhung der Festigkeit durch Alterung und geht oft mit dem unerwünschten Phänomen der Lüdersdehnung einher. Plastische Verformung bei Raumtemperatur führt zur Kaltverfestigung ∆σKV, die mit der Wurzel der durch die Verformung generierten Versetzungsdichte skaliert, ∆σKV ∝ √ρ. Da der Festigkeitsgewinn stets mit einer Reduzierung des Verformungsvermögens verbunden ist, wird die Kaltverfestigung nur sehr selten zur Einstellung des Festigkeitsniveaus von Stahlfeinblechen herangezogen. Ausnahmen sind partiell rekristallisierte oder lediglich erholte Güten. Eine hohe Versetzungsdichte ist für einen Gutteil der Festigkeit von Bainit, Martensit und angelassenem Martensit verantwortlich. Ein wichtiger Beitrag zur Festigkeit stammt von der Kornfeinung, ∆σKG = ky / √D. Die Konstante ky nimmt für ferritische Stähle Werte zwischen 10 und 20 N mm-3/2 an; D ist die Ferritkorngröße. Die Korngröße kann auf vielerlei Art eingestellt werden. Die Austenitkorngröße ergibt sich beim Warmwalzen aus einer Wechselwirkung

zwischen Verformung und (dynamischer) Rekristallisation. Der Abkühlpfad bis zum Haspeln des Warmbandes und die Haspeltemperatur kontrollieren die Bildung und das Wachstum des Ferrits bei der Austenitumwandlung. Kleine Austenitkorngrößen, die man durch Zusätze von Mikrolegierungselementen erhält, hohe Abkühlraten und niedrige Haspeltemperaturen führen zu kleinem Ferritkorn. Bei kaltgewalztem Band erreicht man bei der Rekristallisation feines Korn durch hohe Kaltwalzgrade und kleines Ausgangskorn. Die Festigkeit von Stahlfeinblech lässt sich auch durch feine Ausscheidungen steigern. Kohärente Teilchen müssen von den Versetzungen geschnitten werden, inkohärente werden umgangen. Üblicherweise werden in Stahlfeinblechen die Mikrolegierungselemente Niob, Titan und Vanadium in Form von (Ti, Nb, V)x (C, N)y-Teilchen ausgeschieden. Eine genaue Temperaturführung ist jedoch essentiell, um bei zu hohen Rekristallisationstemperaturen eine Vergröberung der Teilchen zu vermeiden, damit man ihre festigkeitssteigernde Wirkung nicht verliert. Die Kombination der eben bebeschriebenen Mechanismen wird bei der Umwandlungshärtung von Kohlenstoffstählen genutzt. In Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung und der Abkühlungsgeschwindigkeit aus dem Austenit- oder Austenit + FerritGebiet kann der Austenit in Ferrit, Perlit, Bainit oder Martensit umgewandelt werden. Ein Teil des Austenits kann sogar bei Raumtemperatur als Restaustentit stabilisiert werden. Die enorme Zahl von möglichen Mikrostrukturen führt zu einem sehr breiten Spektrum an mechanischen Eigenschaften. Die Festigkeit der Stähle kann damit um nahezu eine Größenordnung variiert werden. Transformationsindizierte Plastizität und Zwillingsbildung sind

Werkstoff Stahl

verantwortlich für die exzellente Duktilität von vollaustenitischen Stählen, oder Stählen mit etwa 10 – 20 % Restaustenit. Die bei der Umformung dieser Stähle angeregte (Rest)Austenit zu Martensitumwandlung sorgt für sehr hohe Verfestigung und Duktilität (TRIPStähle). Vollaustenitische Stähle zeigen bei der Umformung das Phänomen der mechanischen Zwillingsbildung. Während der Verformung kommt es zu einer Verfeinerung des Gefüges und dadurch zu einer starken Festigkeitszunahme bei gleichzeitig exzellenter Duktilität (TWIP-Stähle).

Stahlfeinbleche im Karosseriebau Weiche Stähle weisen sehr niedrige Streckgrenzen (Rp0,2< 140 MPa) auf und werden bevorzugt für komplex gestaltete Bauteile oder für großflächige Bauteile mit erwünschter niedriger Festigkeit (Motorhauben, Heckklappen) eingesetzt. Zwei Herstellkonzepte sind gebräuchlich (aluminiumberuhigte Stähle mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt (AK-LC), bzw. insterstitiell gereinigte Stähle (interstitial free, IF)). Je nach vorhandenen Glühaggregaten (Haubenofen, kontinuierliche Glühanlage, Feuerverzinkung) wird die chemische Zusammensetzung von Weichstählen gewählt. Konventionelle höherfeste Stähle umfassen phosphorlegierte LCGüten, höherfeste IF-Stähle, Bake-hardening-Stähle, mikrolegierte Feinkornstähle und Kohlenstoff-Mangan-Güten.

Abb. 2: Gefüge von höchstfesten Stahlfeinblechen der Festigkeitsklasse Rm = 780 MPa. (a) Dualphasenstahl DP780 (HCT780X), (b) Komplexphasenstahl CP780 (HCT780C), (c) TRIPStahl 780 (HCT780T)

Während erwartet wird, dass mischkristallverfestigte LC-Güten künftig kaum mehr eingesetzt werden, ist der Marktanteil der höherfesten IF-Stähle (wegen ihrer vorzüglichen Umformbarkeit), der Bake-hardening-Stähle (erhöhte Beulfestigkeit) und der mikrolegierten Sorten (niedrige Kosten) steigend. Je nach Stahlart liegen die Streckgrenzen zwischen 160 und 600 MPa. Bei Bake-hardening-Stählen ist eine Steigerung der Streckgrenze beim Einbrennlackieren um 10 bis 20 % möglich. Kohlenstoff-Mangan-Stähle werden in Europa kaum verwendet. Höchstfeste und ultra-hochfeste Stähle werden seit etwa 20 Jahren entwickelt und werden immer mehr im Automobilbau verwendet. Zu ihnen zählen die ferritischmartensitischen Dualphasen- (DP-), die Komplexphasen- (CP-), die TRIP- sowie die pressgehärteten Stähle mit Werten von Rm zwischen 600 (DP-Stähle) und 1600 MPa (vollmartensitische und pressgehärtete Stähle). Abb. 2 zeigt einige Mikrostrukturen dieser Werkstoffe, Abb. 3 fasst wichtige mechanische Kennwerte zusammen. DP-Stähle sind wegen ihres hohen Verfestigungsvermögens

gut geeignet für Tiefziehoperationen, sie sind aber nur bedingt für die Verformung mit hohen Biegeanteilen einsetzbar. CP-Stähle verhalten sich wegen ihrer mechanisch homogenen Mikrostruktur dazu gegenläufig. TRIP-Stähle lassen sich sowohl vorzüglich tiefziehen als auch gut biegen und sind daher für komplex gestaltete, hochfeste Strukturbauteile bestens geeignet (Abb. 4). Der borlegierte Vergütungsstahl 22MnB5 erreicht die zurzeit höchsten Festigkeiten aller Feinblechstähle und wird nach dem Warm(end)umformen

Abb.4: Vorgeschlagene Anwendungsfelder für DP-, CP- und TRIP-Stähle

der Bauteile im Gesenk der Umformpresse gehärtet, indem rasch von der Umformtemperatur auf Raumtemperatur gekühlt wird. Das resultierende Umwandlungsgefüge besteht aus Martensit und angelassenem Martensit. Sämtliche Varianten dieser Stahlklasse lassen sich oberflächenbeschichten.

Verwendung der Werkstoffe im Karosseriebau

Abb. 3: Mechanische Eigenschaften des DP-Stahls HCT780X, des Komplexphasenstahls HCT780C und des TRIP-Stahls HCT780T

Die Tabelle zeigt die Massenanteile der verwendeten Werkstoffe in der Karosserie der C- und E-Klassen von Mercedes-Benz jeweils in einem Vergleich des aktuellen Modells (W204 und W212) mit dem Vorgängermodell (W203 und W211). Die Anteile der höherfesten, höchst-

Werkstoff Stahl

festen und ultra-hochfesten Stähle sowie des pressgehärteten Stahls wurden beim Modellwechsel signifikant erhöht, der Anteil der Weichstähle dafür massiv gesenkt.

Gegenwärtige und künftige Entwicklungen Trotz ihrer günstigen Eigenschaften bei Tiefziehen werden gegenwärtig TRIP-Stähle mit verbesserten Lochaufweitdehnungen entwickelt. Dies ist vor allem dann herausfordernd, wenn gleichzeitig Festigkeiten von 1000 MPa und darüber angestrebt werden. Eine Möglichkeit diese Ziele zu erreichen, besteht darin, die polygonale, ferritische Matrix des Gefüges durch eine aus karbidfreiem Bainit zu ersetzen. Dazu sind eine ausgeklügelte Wärmebehandlung und eine auf die vorhandenen Glüheinrichtungen abgestimmte Zusammensetzung erforderlich. Eine andere vielversprechende Möglichkeit bezieht eine Wiedererwärmung des rasch abgekühlten Gefüges ein, um bei geeigneten Glühtemperaturen genügend Kohlenstoff in den Restaustentit umzulagern („quench and partitioning“, Q & P). Mit der so erzeugten Mikrostruktur (martensitischbainitische Matrix mit Restaustenitinklusionen) werden Zugfestigkeiten von über 1200 MPa erreicht bei gleichzeitig vorzüglicher Biege- und Tiefzieheignung. Stähle mit äußerst kleinen Körnern und/oder nanometerskaligen Ausscheidungen werden intensiv untersucht, da sie Streckgrenzenerhöhungen von über 30 % im Vergleich zum Ausgangsmaterial aufweisen können.

Stähle mit Mangengehalten zwischen 15 und 25 Masse-% werden seit 20 Jahren intensiv entwickelt. In Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung und der davon bestimmten Stapelfehlerenergie zeigen sie den TRIP- oder TWIP-Effekt oder eine Kombination beider. Diese Stähle weisen die höchsten bekannten Duktilitäten auf und erreichen dabei sehr hohe Festigkeiten. Allerdings werden sie zurzeit wegen der hohen Legierungskosten und ihrer Neigung zur Wasserversprödung im Automobilbau nicht eingesetzt. Darüber hinaus bereitet das Fügen dieser Stähle mit Kohlenstoffstählen erhebliche und derzeit noch nicht gelöste Probleme. Künftige Entwicklungen zielen auch auf eine Reduktion der Dichte der Stähle. Es zeigt sich allerdings, dass eine Reduktion der Dichte um 10 % durch die Beigabe von Aluminium den Elastizitätsmodul des Stahls um etwa den gleichen Wert senkt. Außerdem sind diese Stähle im gesamten Temperaturbereich des Herstellprozesses rein ferritisch, wodurch es keine Möglichkeit gibt, ihre Festigkeit durch eine Austenit zu Ferrit-Umwandlung einzustellen. Die Herstellung von StahlmatrixTeichenverbundwerkstoffen wird auch künftig eine große Herausforderung sein. Gegenwärtig gibt es keine abgesicherte Herstellroute, welche die klassischen metallurgischen Verfahrensschritte Stranggießen, Warm- und Kaltwalzen umfasst. Hoch- und höchstfeste Stähle werden eingesetzt, um die Versagenssicherheit der Karosserien in

Unfallszenarien zu erhöhen („Crash-safety“). Zur Beurteilung der Stähle werden aus ihnen Hohlstrukturen (crash boxes) gebaut und die durchschnittliche Längskraft ermittelt, die zum Knicken des Bauteils führt. Diese Kraft hängt von der belastungsgeschwindigkeitsabhängigen Fließspannung und der Wanddicke des Bauteils ab. Es zeigt sich, dass eine Verdoppelung der Fließspannung (durch den Einsatz von z.B. höchstfesten Stählen) eine Wandstärkenminderung um etwa 30 % ermöglicht. In dem Knickversuch darf das Bauteil nur gefaltet werden, es dürfen aber keine Risse auftreten. Daher reiht man die Stahlklassen hinsichtlich ihrer Versagenssicherheit derzeit nach ihrem Verhalten im Biegeversuch. Dies ist jedoch aus mechanischer Sicht nur zum Teil gerechtfertigt, da mit dem Biegeversuch keine schlagartige Belastung nachgebildet werden kann. Hier sind weitere Forschungsarbeiten durchzuführen, um einerseits die höheren Belastungsgeschwindigkeiten zu berücksichtigen und andererseits den Einfluss einer Vorschädigung der Gefüge bei der Bauteilherstellung auf die nachfolgenden Gebrauchseigenschaften besser zu verstehen. Künftig werden vermehrt solche Stähle zum Einsatz kommen, die eine sogenannte schadenstolerante Mikrostruktur aufweisen.

Autor:

Prof. Dr. mont. habil. Dr. rer. nat. h. c. Ewald Werner

Technische Universität München Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Werkstoffmechanik Boltzmannstraße 15 85748 Garching Tel.: 089 28915247 post@wkm.mw.tum.de

Neue Anforderungen und Zukunftschancen der Verbindungstechnik Die ständig zunehmende Anzahl der Anwendung von elektrischen Systemen und Mikrosystemen erobert nahezu unaufhaltsam den Alltag in Beruf und Privatleben. Angesichts des steigenden Energiebedarfs durch Elektromobilisierung bzw. Erweiterung & Änderung von Energiekonzepten zur zukünftigen Sicherstellung der Energieversorgung kommen durch die Dezentralisierung der Energiereserven immense logische und technische Herausforderungen auf die Verbindungstechnik zu. Die Überbrückung und die Zusammenführung der einzelnen Energiequellen ist dabei zur Nutzung der gewonnenen Energien Aufgabe und Herausforderung an die Verbindungstechniken und Technologien zugleich. Eine zukunftsträchtige und gleichzeitig bewährte Verbindungstechnik hierfür ist das „CRIMPEN“.

Verbindungstechnik

Herausforderungen an die Verbindungstechnik

Klassischerweise haben elektrische Energiequellen unabhängig, ob es sich um Windkraftanlagen, Solarzellen oder andere Energie-Systeme handelt die Eigenschaft, in Abhängigkeit des Systems, der Tages-Zeit oder der Umgebung, unterschiedliche elektrische Leistung generieren zu können. Um effizient und wirtschaftlich nicht nur mit den Systemen selbst umgehen zu können, sondern auch das Netz zur Verteilung der Energie bereitstellen zu können ist die Wahl des Verbindungsystemes zur Schnittstellenüberbrückung zu beachten. Als weiterer Einflussfaktor auf diese Systeme ist die immerwährende thermische und chemische Belastung durch die einwirkenden Umweltbelastungen vorhanden. Vor diesem Hintergrund stellt sich an die Herausforderung an die Verbindungstechnik umfassend die Realität vorausschauend durch Methodenkompetenzen abdecken zu können. Um diesen Anforderungen zu begegnen, wurde am Fraunhofer IZM in Oberpfaffenhofen ein Praxislabor Crimptechnik eingerichtet (Siehe Abb. 1).

Abb. 1: Paxislabor Crimptechnik

Testmethoden und Ergebnisse Als mögliche Grundlage für die Bewertung und Ausführungen von Verbindungstechniken sind verschiedenen Testprozeduren und Testabläufe möglich. Für den Erhalt von aussagefähigen und tragfähigen Ergebnissen sind Rückschlüsse aus bereits erfolgreich laufenden Systemen eine wertvolle Informationsquelle. Als Leitfäden für die Auslegung einer Crimpverbindung oder die Qualifizierung einer Crimpverbindung bestehen verschiedene Normen

oder erprobte Vorgehensweisen. Die Norm DIN EN 60352-2 gibt hierfür verschiedene Vorgehensweisen je nach Anforderungen an die Hand. Ebenso besteht die Möglichkeit mittels SAE/USCAR-21 eine zuverlässige Verbindung hinsichtlich ihrer Eigenschaften bewerten und ergründen zu können. Die Verwendung qualifizierter Verbindungen ist gerade wegen der geforderten Übertragung von hohen elektrischen Leistungen auch gerade im Bereich der EMobility von höchster Bedeutung.

Verbindungstechnik

Der Standort Oberpfaffenhofen

Abb.2: Crimpzangen

Vorzeitige Versagensmechanismen führen nicht nur zum Fahrzeugausfall sondern im ungünstigsten Fall auch zu thermischen Erscheinungen.

Zusammenfassung

Die Zuverlässigkeitsanforderungen an gecrimpte Verbindungen nehmen ständig zu. Gerade die hohen übertragenen elektrischen

Herstellung von Verbindungen Auf Basis der Erkenntnisse und den möglichen Folgeerscheinungen ist es zwingend erforderlich bei der Herstellung von Verbindungen die etwas mehr als nur die nötige Verbindungsqualität reproduzierbar gewährleisten zu können. Als Richtlinie und anweisungsunterstützende Dokumente können hier die ECSS-Q-ST-7026C oder die MIL-DTL-22520 herangezogen werden. Diese Standards zeichnen sie dadurch aus, dass die verwendeten Komponenten aufeinander abgestimmt sind und gemäß der umfangreichen Anforderung für Verbindungen erprobt sind. Über die individuelle und einfache Handhabung der Werkzeugsysteme werden Qualitätsmerkmale wie z.B. die Gasdichtheit und somit die verminderte Feuchtanfälligkeit abgesichert. Um den Einsatz von Verbindungstechnik kennenzulernen und anforderungsentsprechende Verbindungen herstellen zu können sind jedoch fachliche Einweisungen sinnvoll.

Abb.3: Hochzuverlässige Crimpverbindung

Leistungen müssen über absolut sichere Verbindungssysteme herstellt werden. Als visionärer Ansatz wäre implementierte Sensorik in leistungstragende Schnittstellen Maßnahme zur Funktionssicherstellung. Nach aktuellem Kenntnisstand wird die Gewährleistung der Verbindungsfunktion über umfangreiche Erprobungsprogramme ermöglicht. Die Übertragung der ermittelten Erkenntnisse ist dabei stark abhängig von den verwendeten Komponenten. Für den fachlich korrekten Komponenteneinsatz sind Schulungen, Trainings und Einweisungen sinnvoll und empfehlenswert.

Am Fraunhofer IZM Standort Oberpfaffenhofen sind die Themen Mikro-Mechatronik Schulungen zur Aufbau- und Verbindungstechnik vereint. Die Kompetenzen des MMZ umfassen den Entwurf, die Entwicklung und das Rapid Prototyping elektronischer Systeme auf neuartigen Trägersubstraten. Es werden Konzepte zur funktionalen Anpassbarkeit von Gehäuseformen und -strukturen erarbeitet. Dies beinhaltet ein vollständiges Entwurfskonzept für Aufbau und Häusung von Bauteilen, das sowohl elektrische als auch mechanische Eigenschaften der Systeme mit Struktursimulationen vereint. Des Weiteren werden Verbindungstechniken für elektronische Baugruppen mit erhöhten Zuverlässigkeits-Anforderungen unter rauen Umgebungsbedingungen evaluiert. Dies beinhaltet kundenspezifische Qualifikationen elektrischer Systeme bis hin zur strukturellen und elektrischen Zuverlässigkeitsbewertung und Fehleranalyse elektronischer Baugruppen. Im Schulungsbereich (ZVE) werden praxisorientierte Kurse für Standard-, neue Löttechniken sowie für Handlöten & lotfreie Verbindungstechniken angeboten. Oberpfaffenhofen zählt zu den ESA und IPC-akkreditierten Schulungszentren sowie den bundesweit AZWV anerkannten Ausbildungsstätten. Kontakt: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration Aussenstelle Oberpfaffenhofen (Fraunhofer IZM-OPH) Argelsrieder Feld 6 82234 Oberpfaffenhofen

Standortleiter: Leiter der Abteilung Mikro-Mechatronische Systeme Dr.-Ing. Frank Ansorge Fon: +49-(0)8153-9097-500 Fax: +49-(0)8153-9097-511 Mobile: +49-(0)173-3576542 e-mail: frank.ansorge@oph.izm.fraunhofer.de www.izm.fhg.de/zvem

Kontakt: Praxislabor Crimpen Jens Viereck Fon: +49-(0)8153-403-10 Fax: +49-(0)8153-9097-511 e-mail: Jens.viereck@oph.izm.fraunhofer.de www.zve-kurse.de

Elektronische Fahrwerksysteme GmbH Gebündelte Leidenschaft und Leistungsfähigkeit

Elektronische Fahrwerksysteme GmbH

Die Elektronische Fahrwerksysteme GmbH (EFS), ein Joint Venture der GIGATRONIKGruppe und der Audi Electronics Venture GmbH, entwickelt innovative Konzepte und Technologien für Fahrwerkauslegung, Fahrwerkverhalten und Fahrwerkdynamik. Die EFS wurde 2009 gegründet und beschäftigt heute knapp 100 hochmotivierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter an ihrem Hauptsitz in Ingolstadt und dem Standort in Wolfsburg. Die leidenschaftliche Arbeit unserer Ingenieure machen die typischen Fahreigenschaften für den Fahrer täglich erlebbar. Wir entwickeln eigenverantwortlich, im Team mit unseren Kunden und den Entwicklungspartnern aus der Automobilindustrie. Für unsere zukunftsorientierten Elektroniksysteme sind neben Know-how und Erfahrung vor allem Kreativität und Leidenschaft gefragt. Dabei ist es unser Anspruch, sowohl die gegebenen Anforderungen der Fahrzeugund AUTOSAR-Architekturen zu erfüllen als auch innovative Funktionen in kurzer Zeit und mit hoher Qualität für unsere Kunden lebendig werden zu lassen. In interdisziplinären Teams mit Herstellern und Zulieferern sorgen wir für die Integration innovativer Fahrwerksysteme ins Fahrzeug. Wir sondieren die Anforderungen und schaffen im Rahmen des Projektmanagements mit allen Beteiligten die richtige Ausgangssituation für die anstehende Systemintegration und deren Tests. Unsere Ingenieure haben das

Immer eine Spur voraus

Wissen und die Praxiserfahrung für die eigenständige und zuverlässige Fahrzeugausrüstung und Inbetriebnahme. Damit sind wir in der Lage, alle erforderlichen Erprobungen und Tests bis zur Erreichung der Serienreife und letztendlich der Freigabe durch den Hersteller bzw. den Entwicklungspartner zu erzielen. Die Kompetenz im Projektmanagement höchst anspruchsvoller Entwicklungsaufträge für Komponenten und Systeme aus den Bereichen Fahrwerkselektronik und Fahrwerkregelsysteme wie beispielsweise Stabilitäts- und Fahrerassistenzsysteme liegt bei uns in der technischen und organisatorischen Abwicklung gemeinsam mit den Herstellern und Systemlieferanten. In der Derivat-Entwicklung sind wir mit unserer Erfahrung ein wertvoller Partner.

Dank der hohen Vernetzung innerhalb des Volkswagenkonzerns und unserer Integrationskompetenz von Fahrwerksystemen können wir zielsicher und ergebnisorientiert agieren. Als Mitarbeiter bei der EFS sind Sie auch im Job immer eine Spur voraus. Bei uns erwarten Sie nicht nur spannende Herausforderungen, sondern auch beste Sozialleistungen und ein herausragendes Arbeitsklima. Durch die Vernetzung innerhalb der GIGATRONIKGruppe und des Volkswagenkonzerns bieten wir unseren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern innovative und zukunftssichere Arbeitsplätze in einem frischen und dynamischen Arbeitsumfeld. Ingenieure mit Berufserfahrung wie auch Hochschulabsolventen und Studenten mit Leidenschaft und Leistungsstärke finden bei uns ihren Entwicklungsspielraum – für die eigene Entwicklung und in vernetzten Expertenteams. Kontakt:

Elektronische Fahrwerksysteme GmbH Despag-Straße 3 D-85055 Ingolstadt Tel.: +49 8458 / 397 30-00 Fax: +49 8458 / 39730-099 E-mail: info@efs-auto.com www.efs-auto.com

Sonderteil e-Car

Mainfranken – eine (e)mobile Region Automotive / Maschinenbau – Kompetenzfeld Nr. 1 Innovative hochtechnologische Produkte und erfolgreiche Global Player der Automobilzuliefererindustrie haben in Mainfranken lange Tradition. Für „Made in Mainfranken“ stehen im Weltmarkt führende Unternehmen und Marken wie Bosch Rexroth, FAG, ZF Sachs, SKF, BASF Coatings, Preh, Jopp oder

Mainfranken

Kompetenz in der Oberflächenveredlung (Foto: BASF Coatings GmbH)

FTE ebenso wie junge Technologie-Unternehmen. Dank andauernder Innovationsfähigkeit der Unternehmen stieg die Zahl der Beschäftigten im mainfränkischen Kompetenzfeld Nr. 1 in den letzten Jahren gegen den Bundestrend auf über 40.000. Gemessen an dieser Zahl ist Mainfranken damit Nummer vier unter bundesweit 97 Regionen. Regionale Schwerpunkte liegen dabei insbesondere in den Bereichen Elektromobilität, Präzisionsund Wälzlagertechnologie, Bremsund Kupplungssysteme, Antriebsund Steuerungstechnik, Hydraulik und Kfz-Bediensysteme.

Mainfranken - Drehscheibe zwischen den bundesweiten OEM-Standorten

Mainfranken gut positioniert Zentral gelegen zwischen den Standorten der großen Automobilhersteller in Bayern, BadenWürttemberg, Nordrhein-Westfalen, Niedersachsen, Sachsen und dem benachbarten Europa ist Mainfranken zentrale Drehscheibe mit einer leistungsfähigen Verkehrsinfrastruktur. Ob Forschung oder Anwendung – die mainfränkischen Hochschulen sind Garant für hoch qualifizierten Ingenieursnachwuchs in der Region:

Die Hochschule für angewandte Wissenschaften WürzburgSchweinfurt (FHWS) bietet ein breites Spektrum an ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen. Die Universität Würzburg ergänzt dieses Potenzial mit zukunftsorientierten Studiengängen wie Nanostrukturtechnik, Technische Informatik und Technologie der Funktionswerkstoffe. Wichtige außeruniversitäre Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen sind kompetente Partner für Forschungskooperationen und funktionierende Netzwerke.

Mainfranken Modellstadt Elektromobilität für Mainfranken

Elektromobilität ist eines der bedeutenden industriellen Zukunftsthemen und Mainfranken weiß sich hier aufgrund seiner Automotive-Kompetenz entsprechend zu positionieren. Es verwundert daher nicht, dass die mainfränkische Stadt Bad Neustadt an der Saale im Juli 2010 vom Freitstaat Bayern zur ersten

Zusage, ein Technologietransferzentrum für Elektromobilität (TTZ-EMO) aufzubauen. Angegliedert an die FHWS begleitet das TTZ-EMO das Thema Elektromobilität wissenschaftlich und unterstützt die Schwerpunkte der Modellstadt im Bereich SMART GRID. Die Optimierung von Ladetechnologien sowie der Einsatz von intelligenten Energiemanagementsystemen stehen dabei im Vordergrund. Langfristige Ziele sollen die Nutzung elektrischer Fahrzeuge als innovative Stromspitzenpuffer und die Erzeugung von regenerativen Energiequellen für den Betrieb der

Elektromobilität erfahrbar machen – auf der Fahrzeugschau in Bad Neustadt (Foto: M-E-NES e.V.)

Bayerischen Modellstadt für Elektromobilität ernannt wurde. Das Modellstadtlabel beinhaltete die

Bordnetze für die Automobilindustrie (Foto: LEONI AG)

Fahrzeuge sein. An diesem Punkt stellt das Technologietransferzentrum einen wichtigen Knotenpunkt für industrielle und wissenschaftliche Forschung und Entwicklung dar. Als weitere Säule im regionalen Kompetenzprofil fungiert künftig die Technikerschule für Fahrzeugtechnik und Elektromobilität, die zum Schuljahr 2012/2013 den Unterrichtsbetrieb aufnehmen wird. Sie wird einen maßgeblichen Beitrag zur Deckung des Fachkräftebedarfs im Zukunftsfeld „Alternative Antriebe“ in Mainfranken leisten. Bereits zum jetzigen Zeitpunkt sind intensive Verbindungen zwischen Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Unternehmen in Mainfranken geknüpft worden. Diese

Weltweit führend in Sachen Automotive – BMW-Steptronic aus dem Hause Jopp (Foto: Jopp GmbH)

Netzwerkaktivitäten erhöhen nicht nur die Forschungstätigkeiten im Bereich der Elektromobilität, sondern verbessern auch die Standortqualitäten Mainfrankens erheblich. So hat sich bereits im Mai 2010 auf Betreiben lokaler Unternehmer der Förderverein für Elektromobilität in der Modellstadt Bad Neustadt an der Saale – M-E-NES e.V. formiert. Darüber hinaus wird unter dem Dach der Region Mainfranken GmbH im „Fachforum Elektromobilität“ eine mainfrankenweite Perspektive für die Zukunftstechnologie Elektromobilität entwickelt. Mittelständische Unternehmen engagieren sich hier genauso wie Global Player und Vertreter der mainfränkischen Hochschulen und Forschungseinrichtungen. Weitere Informationen finden Sie im Internet unter www.m-e-nes.de und www.mainfranken.org/fachforen. Autor:

Sebastian Kühl Projektmanager

Region Mainfranken GmbH Ludwigstraße 10 1/2 97070 Würzburg Tel.: 0931-452 652-0 Fax: 0931-452 652-20 E-mail: info@mainfranken.org Internet: www.mainfranken.org

Faserverbundwerkstoffe

Das iwb setzt neue Akzente im Bereich Verarbeitungen von faserverstärkten Kunststoffen Zum Erreichen der Klimaschutzziele der Bundesregierung sollen im Jahre 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen unterwegs sein. Die Elektromobilität kann einen wesentlichen Teil bei der Reduktion des Ausstoßes von Treibhausgasen und der Abhängigkeit von Ölimporten beitragen. Wesentliche in diesem Kontext zu beantwortende Fragestellungen ergeben sich in Hinsicht auf eine Verringerung des Verbrauches und auf eine Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Ein Ansatz hierfür ist der strukturelle Leichtbau unter Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen. Durch den Einsatz von Werkstoffen wie CFK (Kohlenstoff-Faserverstärkter-Kunststoff ) lassen sich die Fahrzeugmasse und somit auch die benötigte Antriebsenergie reduzieren. Die Verarbeitung von faserverstärkten Kunststoffen für den Volumenmarkt stellt Automobilhersteller und Zulieferer jedoch immer noch vor große Herausforderungen.

Trennen und Fügen von Faserverbundwerkstoffen am iwb Relevante Zielgrößen bei der Fertigung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen für den Volumenmarkt sind geringe Taktzeiten und ein hoher Automatisierungsgrad. Diese Randbedingungen werden durch konventionelle Fügeund Trennverfahren nur bedingt

erfüllt. Derzeit gängige Trennverfahren sind zum Beispiel das Ultraschall-Schneiden von Kohlenfaser-Gelegen und -Preforms oder das Fräsen beziehungsweise das Wasserstrahlschneiden von Laminaten. Aufgrund der begrenzten Schnittgeschwindigkeit der Anlagen und des hohen Verschleißes der Werkzeuge verursachen diese Verfahren in der Großserienfertigung von CFKFahrzeugkarosserien lange Taktzeiten und hohe Kosten. Die derzeit beim Fügen von CFK verbreiteten Niet- und Schraubverbindungen führen aufgrund der notwendigen Bohrungen zu einer Schwächung der Grundstruktur. Klebeverbindungen bedürfen dagegen häufig einer langen Aushärtungszeit, die das Automatisierungspotenzial reduziert. Das iwb verfolgt innerhalb des öffentlich geförderten Forschungsprojektes ELite (Energieeffizienter Leichtbau durch innovatives thermisches Fügen und Trennen von CFK-Bauteilen) das Ziel, das Trennen und Fügen von CFK im Vergleich mit den konventionellen Bearbeitungsverfahren wirtschaftlicher und ressourceneffizienter zu gestalten. Im Bereich des Trennens von CF-Gelegen und CFK-Bauteilen wird ein laserbasiertes Schneidverfahren untersucht. Für das Fügen von CFK mit CFK beziehungsweise mit Metallen wird der Einsatz von flächigen Wärmequellen, sogenannten Nanofolien, erforscht.

Mit dem Reibpressfügen wird ein weiterer Ansatz zum Fügen von CFK mit Metallen im Rahmen des Transferprojekts T7 innerhalb des Sonderforschungsbereiches Transregio 10 (SFB/TR10) untersucht. Hierbei wird mittels eines rotierenden Werkzeuges Wärme in die Fügezone eingebracht, wodurch sich die thermoplastische Oberfläche des faserverstärkten Bauteils mit der vorbehandelten Oberfläche des Metalls verbindet.

Projekt ELite Im Bereich des Trennens wird ein laserbasiertes Abtragverfahren erforscht. Mit diesem sollen sowohl CF-Gelege konfektioniert als auch CFK-Bauteile bearbeitet werden. Durch die thermische Energie des Lasers werden hierbei die Fasern beziehungsweise der Faser-Matrix-Verbund in der Trennzone verdampft. Dieser thermische Abtragsprozess ergibt im Hinblick auf die verschiedenartigen physikalischen Eigenschaften von Matrix und Faser eine Herausforderung. Wesentliche Qua-

Abb. 1: Mit Laser geschnittenes CF-Gelege

Faserverbundwerkstoffe

Abb. 2: Laserschnitt eines CFK-Laminates

litätsmerkmale des Prozesses sind die Bearbeitungsgeschwindigkeit, die Schnittkantenqualität (vgl. Abb. 1) und eine uneingeschränkte Funktionalität des fertigen Bauteils. Dem iwb stehen unterschiedliche Laserstrahlquellen zur Verfügung, mit denen wesentliche Prozesseinflussgrößen untersucht werden sollen. Die Versuche werden an ausgewählten CF-Gelegen und CFK-Bauteilen durchgeführt. Erste Untersuchungen mit einer Variation der Prozessparameter führten zu erfolgreichen Schnitten von CF-Gelegen und CFKLaminaten (vgl. Abb. 2). Dabei sind entweder das Auffächern der Schnittkante beziehungsweise die Delamination und der Absorptionsgrad der Matrix ausschlaggebend für die Qualität des Schnittes. Zur Gewährleistung der Arbeitssicherheit wurden die beim laserbasierten Trennen von CFGelegen und CFK-Laminaten emittierten Gase, Stäube und Partikel an kritischen Emissionspunkten gemessen und notwendige Schutzmaßnahmen abgeleitet. Als Alternative zum Kleben und mechanischen Fügen wird das Fügen mithilfe von Nanofolien zur Herstellung einer festen Verbindung von CFK-CFK sowie CFK-Metallkombinationen untersucht (vgl. Abb. 3). Die Nanofolie dient dabei als flächige, ortsselektive Wärmequelle zwischen den Fügepartnern. Sie besteht aus mehrlagigen Nanometer-Multischichten (Al-Ni), die durch eine externe Zündenergie beginnen, exotherm miteinander zu reagieren. Das zeitgleiche Aufbringen einer definierten Fügekraft führt

zur Herstellung einer Verbindung zwischen den Fügepartnern. Die gesamte Prozessdauer liegt hier bei nur wenigen Millisekunden. Zum Fügen mit Nanofolien wurde bisher ein Aufbau realisiert, mit dem die Prozessparameter während des Fügeprozesses reproduzierbar eingestellt werden können. Momentan laufen erste Versuche zum Fügen von CFK mittels Nanofolien, die das Ziel haben, die prinzipielle Machbarkeit des neuen Fügeprozesses nachzuweisen. Die Proben werden zur Verfahrensoptimierung anhand festgelegter Prüfverfahren untersucht und analysiert. Nach erfolgreicher Probenherstellung mit ebener Fügefläche bildet die Übertragung der Erkenntnisse auf gekrümmte Flächen den nächsten Schritt. Der Prozess kann somit

Abb. 3: Gezündete Nanofolie (Quelle: InnoJoin)

beispielsweise zum Fügen von CFK-Bauteilen zu Karosseriebaugruppen verwendet werden. Die Vorteile sind neben der kurzen Fügezeit und einer guten Reparaturfähigkeit auch die Möglichkeit, hybride Mischbauweisen aus CFK und Metallen zu realisieren,

Abb. 4: Verfahrensprinzip des Reibpressfügens

wie sie in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Mit dem Ziel, die Ressourceneffizienz der beiden Verfahren zu bewerten, stellt der letzte Projektabschnitt den direkten Vergleich zu den konventionellen Verfahren an. Die Fertigung von Referenzbauteilen zeigt hierbei den Energieverbrauch der Verfahren auf. Die Entwicklung eines Recylingkonzeptes zur Separation der CFK-Metall-Verbindungen schließt das am iwb durchgeführte Teilprojekt ab.

Hybrides Verbinden von Faserverbundwerkstoffen mit Aluminium durch Reibpressfügen Am iwb wird mit dem Reibpressfügen eine weitere zukunftsweisende Methode zum Fügen von faserverstärkten Kunstoffen mit Aluminium untersucht. Das Reibpressfügen ist ein Pressschweißverfahren für Aluminium-Thermoplastverbindungen im Überlappstoß und basiert auf einem modifizierten Rührreibschweißprozess (engl. Friction Stir Welding, kurz FSW). Beim Fügevorgang rotiert ein zylindrisches Werkzeug auf der Aluminiumoberfläche. Der durch Reibung entstehende Wärmestrom führt zu einem lokalen Erweichen des Thermoplasts in der Fügezone. In Zusammenwirken mit der axialen Anpresskraft des Werkzeugs sowie einer geeigneten Oberflächenvorbehandlung des Aluminiums entsteht nach dem Abkühlen der Fügezone eine Hy-

Faserverbundwerkstoffe

Abb. 5: Geplantes Vorgehen zum Reibpressfügen von Aluminium mit CFK

bridverbindung. Somit kann auch bei diesem Verfahren auf Zusatzelemente wie Klebstoff und mechanische Fügeelemente verzichtet werden. In Abb. 4 ist das Verfahrensprinzip des Reibpressfügens dargestellt. Basierend auf Vorarbeiten des Sonderforschungsbereiches Transregio10 soll das Reibpressfügen in einer ersten Stufe auf die Herstellung von Mischverbindungen aus Aluminium mit thermoplastischen CFKs untersucht werden. In einer zweiten Stufe ist geplant, duroplastische CFK-Bauteile durch die Verwendung einer ThermoplastZwischenschicht (Interlayer) ebenfalls mittels Reibpressfügen mit Aluminiumkomponenten zu verbinden (vgl. Abb. 5). Diese Zwischenschicht ist notwendig, da Duroplaste im Gegensatz zu Thermoplasten nicht unter Temperatureinfluss aufgeschmolzen werden können. Die Zwischenschicht kann zugleich als Korrosionsschutz zwischen den Kohlenstofffasern und dem Aluminium wirken. Ebenso ist eine Übertragung des Fügeverfahrens auf weitere Metalle, wie beispielsweise Titan, angedacht.

Bezug auf Taktzeit und Kosten zu umgehen, forscht das iwb an neuen Verfahren. Im Bereich des Trennens wird das Laserstrahlschneiden von CF-Gelegen und CFK-Bauteilen untersucht. Im Bereich des Fügens wird an zwei Verfahren gearbeitet. Zum einen wird das Fügen von CFK mit CFK beziehungsweise mit Metall mithilfe von Nanofolien untersucht. Zum anderen wird mit dem Reibpressfügen ein Verfahren zum Verbinden von CFK mit Metallen erforscht.

Projektpartner/Förderung ELite Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt ELite wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von morgen“ (Förderzeichen 02PJ2090-2095) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. Neben dem iwb wirken folgende Industrie- und Forschungspartner am diesem Projekt mit: EADS Deutschland GmbH

Zusammenfassung Durch die Elektromobilität und die damit einhergehende Leichtbauweise ergeben sich neue Fragestellungen im Bezug auf die Füge- und Trenntechnik von faserverstärkten Kunststoffen und Metallen. Um die Nachteile herkömmlicher Füge- und Trennverfahren im

Hybrides Verbinden von Faserverbundwerkstoffen mit Aluminium durch Reibpressfügen Dieser Artikel basiert auf Forschungsarbeiten im Transferprojekt T7 des Sonderforschungsbereiches SFB/TR10, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird. Die Untersuchungen erfolgen in Kooperation mit EADS Innovation Works Germany in Ottobrunn.

Airbus AG BMW AG CrossLink Faserverbundtechnik GmbH & Co.KG InnoJoin GmbH & Co. KG

Autoren: Dipl.-Ing. Alexander Fuchs

Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh

Mitwirkende Autoren: Dipl.-Ing. Franz X. Wirth, Dipl.-Ing. Johannes Stock, Dipl.-Ing. Georgios Theodossiadis

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Alexander Fuchs Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) Technische Universität München Boltzmannstr. 15 85748 Garching Tel.: 089/28915537 Fax: 089/28915555 E-mail: Alexander.Fuchs@iwb.tum.de www.iwb.tum.de

Die Bedeutung von Schutzrechten am Beispiel der Elektromobilität mobilität voranzutreiben und über Schutzrechte abzusichern. Seit 2006 hatten die japanischen Hersteller verglichen mit ihren deutschen Wettbewerbern ein Vielfaches an veröffentlichten Anmeldungen. Erst in jüngerer Zeit war bei den deutschen Herstellern in diesem Bereich eine deutliche Zunahme veröffentlichter Anmeldungen erkennbar, die in absoluten Zahlen aber immer noch deutlich unter den Anmeldezahlen der japanischen Hersteller blieb. Das Ergebnis dieser strategischen Ausrichtung spiegelt sich auf der Straße wieder. Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge kommen derzeit größtenteils aus Fernost. Nur durch eine hohe Innovationskraft in anderen Bereichen wie z.B. der Dieselmotorentechnologie konnte im vorliegenden Beispiel ein Gegengewicht geschaffen und ein Austausch der Technologien erreicht werden. Es ist zu erwarten, dass die Bedeutung von Schutzrechten auch weiterhin zunimmt. Während Großunternehmen und große Mittelständler schon lange strategische Patentportfolios aufbauen, hat sich auch bei solchen Kleinunternehmen und kleineren mittelständischen Unternehmen, die Schutzrechte früher häufig eher stiefmütterlich behandelten, ein Bewusstseinswandel vollzogen und wurde die strategische Bedeutung von Schutzrechten erkannt. Es hat sich auch gezeigt, dass sich Startups mit einem sinnvollen Schutzrechtsportfolio mit einem erfolgreichen Markteintritt wesentlich leichter tun. Schutzrechte sind zunehmend Gegenstand von Auseinandersetzungen.

Ohne ein ausgewogenes Portfolio an Schutzrechten tut man sich als Angreifer schwer und als Verteidiger ist der Spielraum zur Abwehr eines Angriffs eingeschränkt. Vermehrt sind auch kleinere und mittelständische Unternehmen an Auseinandersetzungen zur aktiven Durchsetzung ihrer Schutzrechte beteiligt. Nicht zuletzt weist die Vehemenz, mit welcher die Industrie die Bestrebungen zur Einführung des einheitlichen Patents zumindest in Teilen der EU bis 2014 vorantreibt, auf die wachsende Bedeutung von Schutzrechten hin. Auch wird es dauerhaft kaum möglich sein, sich ohne Schutzrechte gegen eine preislich aggressive Konkurrenz aus China zu behaupten. Letztendlich kommt ein erfolgreich am Markt operierendes Unternehmen an einer durchdachten und langfristig ausgerichteten Schutzrechtsstrategie nicht vorbei. Die eigenen Entwicklungen nicht abzusichern wäre fahrlässig und gefährdet langfristig den Bestand des Unternehmens. Autor:

Jens Christian Koch Patentanwalt

Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser Leopoldstr. 4 80802 München Tel.: 0049-89-21 23 50 Fax: 0049-89 22 02 87 e-mail: koch@grunecker.de www.grunecker.com

Schutzrechte

Technische Schutzrechte wie Patent und Gebrauchsmuster haben in den vergangenen Jahren zum Ausbau und zur Verteidigung der eigenen Marktposition stetig an Bedeutung gewonnen. Prominente Beispiele, wo technische Schutzrechte die Marktposition eines Unternehmens entscheidend beeinflussen, lassen sich beinahe täglich in der Presse nachlesen. Beim Internet und bei Tablet Computern werden Ideen konsequent durch Schutzrechte abgedeckt, so dass massiv Einfluss auf die Vorherrschaft im Markt genommen werden kann. Auch im Bereich der Automobilindustrie gibt es aktuell Beispiele, an denen sich die Bedeutung von Schutzrechten aufzeigt. Gerade hat Toyota mit BMW die gegenseitige Nutzung von Technologien vereinbart. Toyota bringt seinen Vorsprung bei der Hybridtechnik und BMW seinerseits den Vorsprung in der Dieselmotorentechnologie ein. Ohne ein umfangreiches Portfolio von Schutzrechten auf beiden Seiten wäre eine solche Einigung undenkbar. Das Zustandekommen einer solchen Einigung ist auch Ausdruck einer konsequenten und über viele Jahre praktizierten Schutzrechtsstrategie beider Unternehmen mit dem Ziel, den jeweiligen technischen Vorsprung gegenüber Wettbewerbern zu sichern. Die Elektromobilität veranschaulicht, wie Schutzrechte zu einer marktdominierenden Stellung beitragen können. Die japanischen Automobilhersteller haben frühzeitig begonnen, die Entwicklungen im Bereich Hybridtechnologie und Elektro-

Pilotprojekt startet mit Audi A1 e-tron in München • 20 Audi A1 e-tron sind auf Münchens Straßen unterwegs • TU München erfasst und evaluiert das Mobilitätsverhalten • CO2-freie Mobilität mit Ökostrom

Audi A1 e-tron

Seit Oktober 2011 fahren 20 Audi A1 e-tron in der Modellregion München. Einige der Elektroautos waren bereits seit einigen Wochen in der Hand von Testkunden. Projektpartner für den Flottenversuch sind Audi, E.ON, Stadtwerke München (SWM) und die Technische Universität München (TUM). E.ON und die SWM sind verantwortlich für den Ausbau und den Unterhalt der Ladeinfrastruktur im Ballungsraum München. In einem symbolischen Akt übergab Audi im Oktober 2011 die A1 e-tron Flottenfahrzeuge an seine Projektpartner und Testkunden. E.ON und SWM haben eine bedarfsorientierte Lade-Infrastruktur installiert – E.ON vorwiegend im Umland, die SWM in der bayerischen Landeshauptstadt. Alle Stromtankstellen werden aus erneuerbaren Energien gespeist. Das Flottenprojekt läuft im Rahmen der vom Bundesverkehrsministerium unterstützten „Modellregion Elektromobilität München". In der Modellregion München fördert das Bundesministerium für Verkehr die Elektromobilität mit rund zehn Millionen Euro. Das Projekt wird sich unter anderem auch mit der Datenübertragung zwischen Fahrer, Auto und Stromtankstelle bis hin zum Stromnetz beschäftigen. Dabei wird beispielsweise der Einsatz von Smartphones als zentrale Schnittstelle für den Fahrer getestet. „Audi arbeitet an kompromisslosen, ganzheitlichen Konzepten, die maximalen Kundennutzen bieten. Wir werden unseren Kunden im Zeitalter der Elektromobilität eine ganze Reihe von Services anbieten,

Audi A1 e-tron für München

die über das reine Fahren hinausgehen. Dabei spielt die Vernetzung mit der Infrastruktur und der Umwelt ebenso eine Rolle wie neue Mobilitätskonzepte“, unterstreicht Franciscus van Meel, Leiter Elektromobilitätsstrategie der AUDI AG. Und weiter: „Wir wollen mit diesem Flottenversuch mehr über das Verhalten, aber auch über die Erwartungen unserer Kunden im Umgang mit Elektroautos lernen. Weitere Flottenaktivitäten in strategisch wichtigen Märkten sind in Planung."

Beim Audi A1 e-tron handelt es sich um ein Elektroauto mit Range Extender genanntem Reichweitenverlängerer. Dank seiner Leistung von 75 kW (102 PS) erreicht der A1 e-tron eine Spitzengeschwindigkeit von 130 km/h. Ist die Energie der Batterie erschöpft, lädt ein kompakter Verbrennungsmotor, der Range Extender, die Batterie im Bedarfsfall nach und erhöht die Reichweite auf bis zu 250 km. Auf den ersten 50 Kilometern, etwa im Stadtver-

Audi A1 e-tron

Audi A1 e-tron an der Zapfsäule

kehr, ist das kompakte Elektroauto emissionsfrei unterwegs. Als Batterie fungiert ein Paket aus Lithium-Ionen-Modulen, das vor der Hinterachse in die Bodengruppe integriert wurde. Der viersitzige A1 e-tron ist damit speziell für den täglichen Einsatz in Ballungsräumen konzipiert. Der Verbrauch liegt bei 1,9 l/100 km – das entspricht einem CO2-Äquivalent von nur 45 g/km*. Ruth Werhahn, Bereichsleiterin Elektromobilität der E.ON AG, betonte am Tag des Projektstarts: „Mit dem heute gestarteten Flottenversuch bauen wir unsere Erfahrungen aus inzwischen mehr als zehn Pilotprojekten zur Elektromobilität in sechs europäischen Ländern weiter aus. So sind wir bei der Ladeinfrastruktur neue Wege gegangen. Neben öffentlichen Ladesäulen im Umland haben wir in InnenstadtParkhäusern neuartige Ladesäulen installiert. Diese werden mit dem Parkticket freigeschaltet und der Strom wird einfach über einen Aufschlag mit der Parkgebühr bezahlt.“ E.ON hat bereits Ladelösungen für jeden Anwendungszweck zur Marktreife entwickelt. So vertreibt das Unternehmen für Privatkunden bundesweit eine Ladebox für die heimische Garage in Kombination mit einem Ökostromtarif und einem Sicherheitscheck der Elektroinstallation im Haushalt. Denn nicht jede

Steckdose ist mit ihrer Verkabelung den Belastungen eines stundenlang mit hoher Leistung ladenden Elektroautos gewachsen. Zudem liefert E.ON eine Ladestation für den öffentlich zugänglichen Bereich vor allem für gewerbliche Kunden. Hier können bis zu zwei Elektroautos an verschiedenen Anschlüssen laden. Die Fahrer identifizieren sich über eine Magnetkarte. Beide Stromtankstellen kommen auch im Rahmen des Flottenversuches in München zum Einsatz. Darüber hinaus treibt E.ON die Weiterentwicklung der Ladetechnologie voran und setzt hierbei auf Gleichstrom-Schnellladung sowie das kabellose Laden. Dr. Florian Bieberbach, Kaufmännischer Geschäftsführer der SWM: „Gemeinsam mit Partnern engagieren wir uns seit geraumer Zeit und in verschiedenen Projekten im elektrischen Individualverkehr. Im öffentlichen Nahverkehr haben wir als Betreiber von UBahn und Tram schon eine über 115jährige Erfahrung mit der Elektromobilität. Wir sind verantwortlich für die Lade- Infrastruktur im Stadtgebiet und liefern den Ökostrom, der die Fahrzeuge CO2-neutral antreibt. Die Grundlage dafür bildet unsere Ausbauoffensive Erneuerbare Energien. Bis 2025 wollen wir so viel grünen Strom erzeugen, dass wir damit den gesamten Münchner

Strombedarf decken könnten. München wird so die erste Millionenstadt der Welt, die dieses ehrgeizige Ziel erreicht.“ Die TU München erfasst und evaluiert das Mobilitätsverhalten während der Projektlaufzeit: Wie stark und in welchen Situationen wird ein Elektroauto genutzt? Und welchen Einfluss hat dieses Angebot auf die Nutzung anderer Verkehrsmittel? Zur Klärung dieser Fragen haben die Lehrstühle für Fahrzeugtechnik und für Ergonomie eine mobile Anwendung entwickelt, die alle Teilnehmer des Flottenversuchs auf einem Smartphone bekommen. Das Gerät soll ihr gesamtes Mobilitätsverhalten aufzeichnen – vom Fahrrad über E-Auto und Pkw mit Verbrennungsmotor bis hin zu Bus und Bahn. Parallel dazu erstellt der Lehrstuhl für Dienstleistungsmarketing eine Studie, die kundengerechte Abrechnungsmodelle für Elektromobilität finden soll. „Aus Sicht der Forschung ist es keine Frage mehr, ob sich die Elektromobilität durchsetzt, sondern nur noch, wann. Doch Elektromobilität bedeutet nicht nur einen Paradigmenwechsel für die Industrie sondern auch für die Gesellschaft. Mit dem Flottenversuch vertiefen wir das Wissen über das Mobilitätsverhalten unter neuen Rahmenbedingungen“, sagt Professor Markus Lienkamp vom Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik der TU München. „Auf dieses Wissen können dann überzeugende Konzepte zur nachhaltigen individuellen Mobilität aufbauen.“ * berechnet nach dem Entwurf für die Normung zur Ermittlung des Verbrauchs von Range Extender- Fahrzeugen Kontakt: Armin Götz AUDI AG I/GP-P 85045 Ingolstadt Tel.: +49 (0)841/89-90703 Fax: +49 (0)841/89-90786 armin.goetz@audi.de www.audi.com

Elektromobilität vor Qualitätssprung Noch wird die Entwicklung von E-Mobilität und notwendiger Infrastruktur überwiegend durch staatliche Steuerung und Förderprogramme dynamisiert. Noch wird so kontrovers wie grundsätzlich in Öffentlichkeit und Medien diskutiert. Tatsächlich aber nimmt die EMobilität gegenwärtig ohne „äußeren“ Einfluss Fahrt auf, angetrieben von technischen Innovationen.

Elektromobilität

Über die Barrieren zum bottle neck Gerade in jüngster Zeit wurden technologische Lösungen entwickelt, mit deren Hilfe zählebige Barrieren durchbrochen werden konnten. Eine davon: der bisher fast unumgängliche Einsatz sogenannter Seltener Erden in Elektromotoren. Hinter diesem semantisch unscharfen Begriff verbergen sich chemische Elemente wie z.B. Neodym. Zu den fabelhaften Eigenschaften dieser intermetallischen Verbindung gehören eine hohe magnetische Vorzugsrichtung und ein geringes Magnetvolumen. Beste Voraussetzungen also für Elektromotoren, die wünschenswerter Weise möglichst starke Magnetfelder mit möglichst geringen Baugruppengrößen kombinieren. Weniger gut sind die Voraussetzungen für eine sichere und nachhaltige Belieferung der Industrie. Seltene Erden sind auf dem Globus ungleich verteilt. Die relevanten Vorkommen befinden sich ausgerechnet in China, einem

Land mit boomender Industrie, rasch wachsendem Eigenbedarf und - vorsichtig formuliert - wirtschaftspolitisch „robustem Handlungsspielraum“. Der wurde schon im vergangenen Jahr weidlich ausgeschöpft mit knappen Exportquoten für Seltene Erden und zwangsläufigen Verteuerungen. Mittlerweile zeigen die Restriktionen der chinesischen Regierung durchaus das Potenzial zu einem veritablen Handelsstreit, wie die Klage führender Industrienationen bei der Welthandelsorganisation (WTO) sichtbar machte. Seltene Erden bergen eine ungewisse Lieferzukunft für das Supply Chain Management der Industrie.

Innovation schlägt Materie Aus der absehbaren Liefernot machte der E-Motoren Pionier BROSE-SEW eine technisch veritable Tugend in Form seines „Fremderregten Synchronmotors.“ Den BROSE-SEW Entwicklern gelang schlicht der völlige Verzicht auf seltene Erden und damit ein gutes wenn nicht entscheidendes Stück Produktionssicherheit. Das Innovationsspektrum des „FES“ reicht jedoch weiter. In den Motor wurde eine intelligente Leistungselektronik integriert, die einen deutlich optimierten Wirkungsgrad im Fahrzyklus erlaubt, mit einer Leistung von 90 KW und einer Maximaldrehzahl von 11.000 Umdrehungen in der Minute per-

Fremderregter Synchronmotor mit integrierter Leistungselektronik

formt und bei jeder Drehzahl für eine optimale Bestromung - und damit größere Reichweite sorgt. Insgesamt reüssiert der BROSESEW-Motor mit viel „Verzicht“ auf konventionellen Aufwand. So benötigt er keine Stecker mehr zwischen Leistungselektronik und E-Motor. Noch ein Vorzug: die bisher üblichen elektromagnetischen Einflüsse auf andere Fahrzeugkomponenten konnten durch eine geschickte interne Verkabelung auf ein bisher unerreichtes Minimum reduziert werden. Zusätzlich gelang den Entwicklern ein deutlich geringeres Gesamtgewicht und ein optimierter Bauraum. Zusammen mit dem integrierten CAN-Bus erhält die Industrie damit wichtige Voraussetzungen für Großserienfertigung und die Anbindung an ihre Systemumgebungen.

Elektromobilität

Komponenten der induktiven Ladetechnologie

Reichweite erreicht Öffentlichkeit und Medien diskutieren und kritisieren das allgegenwärtige Reichweitenproblem der Batterien. Die Fachwelt konzentriert sich aber auf echte Qualitätssprünge wie die Induktive Ladetechnik von BROSE-SEW. Dieses Modell relativiert die Frage der Reichweite mit einer Gordischer- Knoten-Lösung. Statt der üblich umständlichen und örtlich begrenzten Art werden EAutomobile künftig berührungslos, ohne Kabel, bequem, rasch und überall aufgeladen. Überall, weil die Ladestationen schon in absehbarer Zeit auf Parkplätzen, an Tankstellen, Ampeln, Rastplätzen, Werkstätten und anderen Orten mehr angefahren werden können. Laden ohne Leiden im Winter wird Wirklichkeit und vollautomatisch. Der Fahrer / die Fahrerin hält über einer Feldplatte, gibt ein Signal, bestimmt die Lademenge und fährt weiter ohne auszusteigen. Industrieller Nebeneffekt: kleinere, leichtere und verbilligte Batterien mit deutlich längerer Lebensdauer. Industrieller Nebeneffekt zwei: 10-15 kg Gewicht der mobilen Feldplatten im Fahrzeug erlauben eine schnelle, einfache und kostengünstigen Nachrüstung. Die BROSE-SEW Ladetechnik ist zu Ende gedacht. Fahrer und Passagiere sind vom ohnehin schwachen Magnetfeld abgeschirmt. Die Übertrageleistung von 3KW mit äußerst geringen

Flussdichten verspricht eine hohe Ladeleistung und eine kurze Ladezeit. Und mit über 90% erreicht auch der Wirkungsgrad

on Einheiten ist gerade durchbrochen aber schon sorgt eine neue Generation von Antrieben für zusätzliche technische Performance und Akzeptanz bei den Käufern. Wieder hatten die Entwickler von BROSE-SEW die entscheidende Idee und integrierten den Antrieb direkt ins Tretlager. Damit lässt er sich problemlos in unterschiedliche Rahmengeometrien einfügen, noch dazu in allen gewünschten Einbaulagen. Bike Hersteller können ihn zudem fast beliebig mit Steuerungen und anderen Komponenten zusammen stellen. Der BROSE-SEW Mittelmotor gilt

E-Bike mit integriertem Mittelmotor

einen herausragenden Wert. Optional kann mit einer Drehstromversorgung die Ladeleistung zusätzlich erhöht werden.

als kleinster und leichtester seiner Art, sorgt für einen perfekten Schwerpunkt, bringt eine Dauerleistung von 500 W und eine Spitzenleistung von 800 W.

E-Bikes: der Kult überholt Elektroautos lassen ein kontinuierliches Durchsetzungstempo erwarten. E-Bikes, Pedelecs und Fast-Pedelecs aber legen jetzt schon ein atemberaubendes Tempo vor, besonders in Deutschland. 200.000 wurden 2010 verkauft, 320.000 2011 und in diesem Jahr rechnet der Zweirad Industrie Verband mit gewaltigen 400.000 Verkäufen. Bei den Bikern gelten E-Bikes und Co. mittlerweile als Kult, im Markt der Mobilität sind sie auf der Überholspur. Die magische Schallmauer von 1 Milli-

Kontakt:

Wolfgang Sczygiol Geschäftsführer

BROSE-SEW ELEKTROMOBILITÄTS GmbH & Co. KG Ernst-Blickle-Straße 42 D-76646 Bruchsal Tel: +49 7251 3901 101 Fax: +49 7251 3901 199 E-mail: wolfgang.sczygiol@brose-sew.com www.brose-sew.com

AVL Software and Functions GmbH

Coup-e 800 – Das Elektroauto aus der Oberpfalz Regensburg hängt alle ab!“ - das war die Schlagzeile über dem Städteranking in der Ausgabe des Capitals vom März 2012. „Die Stadt in der Oberpfalz wuchs 2011 stärker als alle anderen – und wird auch 2012 vorn liegen“. Zu diesem Schluss kamen die Redakteure des Wirtschaftsmagazins. Dieses Lob verdankt die Stadt einer ebenso weitsichtigen wie strategischen Wirtschafts- und Technologiepolitik, die die Stadtherren bereits seit 25 Jahren betreiben. Sie ist der Grund dafür, dass sich in dieser Region immer mehr Firmen ansiedeln und die etablierten Unternehmen sich besser entwickeln als in jeder anderen Region Deutschlands. Eine dieser Firmen ist die AVL Software and Functions GmbH. Sie ist eine Tochter des weltweit größten privaten und unabhängigen Unternehmens für die Entwicklung von automotive Antriebssystemen, Mess- und Prüftechnik, der AVL List GmbH aus Graz. Mit mehr als 60 Tochterunternehmen ist die AVL für alle wichtigen Automobilhersteller weltweit tätig. Die außerordentlich gute Vernetzung der vielen Standorte untereinander ermöglicht der AVL Kundenanforderungen schnell und erfolgreich zu erfüllen. Der vor dreieinhalb Jahren gegründete Standort in Regensburg

Geometrische Integration des elektrischen Antriebsstranges im Coup-e 800

stellt mit seinem Team von etwa 120 Maschinenbau-, Elektrotechnik und Softwareingenieuren das Kompetenzzentrum für Triebstrang Software und Funktionen sowie Hardware der AVL Gruppe dar. Dabei besitzt die AVL Software and Functions ausgeprägte Erfahrung in der Konzeption von Software- und Funktionsstrukturen wie auch in der Erstellung und Erprobung von industriellen Softwarelösungen für automotive, nutzfahrzeugspezische und nonroad Fahrzeuganwendungen. Die AVL unterhält Geschäftsbeziehungen zu den deutschen Fahrzeugherstellern sowie zu namhaften Automobilzuliefern. Zum weiteren Kompetenzausbau im Bereich der Elektromobilität entwickelt die AVL Software and

Functions einen elektrischen Antriebsstrang auf Basis von 1200 Volt-IGBT-Technologie. Das gegenüber konventionellen E-Fahrzeugen deutlich erhöhte Spannungsniveau soll dazu genutzt werden das Leistungsvermögen zukünftiger E-Fahrzeuge weiter auszuschöpfen. Als Fahrzeugplattform zur Integration des Antriebs sowie zum Nachweis der Praxistauglichkeit des Konzeptes wird ein Mercedes C-Klasse Coup-e verwendet. Die durchschnittliche Antriebsleistung der im 1. Halbjahr 2011 verkauften konventionellen Neuwagen lag bei knapp 100kW. Diesen Trend zu gut motorisierten Fahrzeugen verfolgten die Ingenieure auch beim Schreiben ihres Lastenheftes. Der sportliche Fahr-

AVL Software and Functions GmbH

Direktfluidkühlung der Statorwicklung im Antriebsmotor des Coup-e 800

zeugcharakter, welcher mit dem Antrieb dargestellt werden soll, spiegelt sich in den folgenden Anforderungen an die Fahrleistung wider:

Drehzahl von 2700 U/min (210 kW) angegeben werden. Unter Berücksichtigung der Übersetzung des Hinterachsgetriebes von 3,92 ergibt sich dadurch ein beachtli-

Bruttoenergieinhalt von knapp 28 kWh entspricht. Die Kontrolle dieser Batterie übernimmt ein AVL-eigenes Batteriemanagementsystem. Gekühlt werden die Zellen über die beiden Zellpole (Ableiterkühlung). Da eine gute elektrische Leitfähigkeit üblicherweise mit einer guten thermischen Leitfähigkeit korreliert ist, realisiert dieses Kühlkonzept eine effiziente Möglichkeit der thermischen Konditionierung. Mit dem durch den AVL-Antrieb ermöglichten sportlichen und dynamischen Charakter hat das „Elektrofahrzeug aus der Oberpfalz“ durchaus das Potenzial den an die Region

Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in weniger als 6 Sekunden Maximalgeschwindigkeit von 180 km/h Dabei soll der Fahrzeuginnenraum wie auch das Kofferraumvolumen durch die Integration des elektrischen Antriebs (HV-Batterie, Leistungselektronik und Elektromotor) keinerlei Einschränkungen erfahren. Nebenstehende Abbildung beschreibt das Package des Antriebsstrangs, welcher in das heckgetriebene Mercedes Coupè integriert wurde. Der Antriebsmotor des Coup-e 800, der diese Fahrleistungen auf die Straße bringen soll, ist als permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt und verfügt über eine Direktfluidkühlung der Statorwicklung. Dieses Kühlkonzept wird durch ein sogenanntes Spaltrohr ermöglicht, welches in den Luftspalt des Synchronmotors integriert wurde. Die Kühlung ermöglicht trotz der kompakten Abmessung des E-Motors (Durchmesser: 245 mm; axiale Länge: 390 mm) eine kontinuierliche Dauerleistung (S1-Betrieb) von 140 kW respektive einem Moment von 500 Nm bei 2700 U/min. Das Spitzenmoment (10 s) kann mit 750 Nm bis zu einer

Aufbau der HV-Batterie des Coup-e 800

ches Moment von knapp 3000 Nm auf der Hinterachse, welches bis zu einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 80 km/h zur Verfügung steht. Auf ein zusätzliches Getriebe kann verzichtet werden, was Kosten-, Bauraum- und Wirkungsgradvorteile mit sich bringt. Um diese Leistungen zu unterstützen wurde von der AVL eine komplett neue Batterie entwickelt. Die HV-Batterie des Coup-e 800 besteht aus 180 in Reihe geschalteten LithiumIonen-Zellen. Aufgeteilt auf 15 Batterie Module werden jeweils 12 Zellen von einem Module Controller überwacht. Die Kapazität einer Batteriezelle beträgt 41 Ah, was bei einer Nennspannung der HV-Batterie von 675 V einem

gestellten Anspruch der CapitalRedakteure zu erfüllen. Ab Juni 2012 wird es im Realfahrbetrieb seine Praxistauglichkeit in der Region in und um Regensburg unter Beweis stellen. Autor:

Martin Schlecker

AVL Software and Functions GMBH D-93059 Regensburg Im Gewerbepark B27 Tel.: +49 941 630 89 193 Fax: +49 941 630 89 111 E-mail: Martin.Schlecker@avl.com www.avl.com

E|Drive-Center Nürnberg

Produktionstechnologien für den elektrischen Antriebsstrang im E|Drive-Center Nürnberg Die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs führt mittelbis langfristig zu einer deutlichen Veränderung der Wertschöpfungsstrukturen in der Automobilindustrie, bei zunächst noch unsicheren Absatzzahlen. Dabei bedeutet die Umstellung des Antriebs von komplex aufgebauten Verbrennungs- zu relativ einfachen Elektromotoren langfristig eher eine Verminderung der Wertschöpfung beim AutomobilOEM und vielen Zulieferern. Falls darüber hinaus auch noch der bisher proprietäre Verbrennungsmotor durch einen StandardElektromotor ersetzt werden würde, wäre das Risiko groß, dass die dafür erforderlichen Produktionskapazitäten in Deutschland gegebenenfalls gar nicht mehr aufgebaut werden würden. Mit dem Verlust des Antriebs-Knowhows würden die deutschen Premium-Automobilhersteller zudem ein bedeutendes Differenzierungspotenzial verlieren. Die gesamte deutsche Automobilindustrie würde in massive Schwierigkeiten geraten. Für den Einsatz im Fahrzeug müssen daher leistungsfähige Elektromotorenkonzepte realisiert werden, die Automotivegerechte Anforderungen in Bezug auf Kosten, Qualität, Umgebungsbedingungen, Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit im besonderen Maß erfüllen. Weitere Entwicklungsziele für elektrische Fahran-

triebe sind die Minimierung des Bauraums und des Gewichtes, sowie die Reduzierung der Geräuschemissionen. Darüber hinaus sind die Reduzierung des Energieverbrauchs, die Erhöhung der Leistungsdichte und die Verbesserung der Regelbarkeit von besonderer Bedeutung. Innovationen in der Werkstofftechnik und Leistungselektronik fördern dabei zusätzlich die Entwicklung leistungsfähiger Motoren mit höchster Energiedichten. Gleichzeitig führen sie auch zu einer Vielzahl neuer Anforderungen an die dazugehörigen Produktionsprozesse. Zur nachhaltigen Sicherung der Marktpositionen sind daher die Kosten- und Qualitätsziele nur in einer engen Maßnahmenkombination zwischen Funktionsoptimierung und Optimierung der

Produktionsprozesse zu erreichen. Gerade in den Produktionsprozessen liegt ein noch sehr hohes Optimierungspotenzial für innovative elektrische PKW-Fahrantriebe. Diese Fahrantriebe sind bei Industriemotoren in höheren Leistungsklassen, bedingt durch die geringen Stückzahlen und die komplexe Handhabung der erforderlichen Materialien, derzeit hauptsächlich noch manuell geprägt. Aufgrund des geringen Automatisierungsgrades in der Produktion sind somit die Kosten noch deutlich zu hoch, was die Bedeutung automatisierter Montage- und Fertigungstechnologien für Elektromotoren zur Erschließung von Rationalisierungspotenzialen stärker in den Fokus rückt. Zu den verfolgten Ansätzen zählen innovative Paketier-

Abb. 1: Forschungsfabrik des E|Drive-Centers am neuen Standort AUF AEG in Nürnberg

E|Drive-Center Nürnberg techniken für Elektrobleche, neue flexibel automatisierte Verfahren für das Wickeln, Konzepte zur Magnetmontage, montierbare, segmentierte Statorkonzepte, optimierte Verbindungstechnologien und Prüfverfahren. Hierzu wurde am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) mit dem Bayerischen Technologiezentrum für elektrische Antriebstechnik (E|Drive-Center) eine schlagkräftige Forschungsgruppe gegründet, welche Systemlösungen für den Aufbau durchgängiger Prozessketten für die Produktion elektrischer Antriebstechnik entwickelt, in prototypische Demonstratoranlagen überführt und in praktischen Versuchsreihen optimiert. Ende 2011 wurde die neue Forschungsfabrik für Elektromotoren im Gelände AUF AEG in Nürnberg bezogen (siehe Abb. 1). Zur möglichst serienflexiblen Herstellung von Statoren werden im E|Drive-Center Nürnberg beispielsweise neue roboterbasierte Wickel- und Einziehtechniken entwickelt (Abb. 2), um hohe produktspezifische Werkzeugkosten zu minimieren. Auf Rotorseite liegen die Herausforderungen bei Synchronmotoren in der Handhabung von hoch-koerzitiven Magnetmaterialen, speziell den präzisen Positionier- und Klebeprozessen. Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit und des hohen Wertes vieler Materialien (insb. Seltene Erden, Bunt- und Schwermetalle), die in elektrischen Antrieben vor allem in Rotoren verarbeitet werden und deren Bedarf durch die erwarteten Stückzahlen dramatisch ansteigen wird, werden zudem Verfahren zum Recycling, technische Alternativen in der Produktgestaltung und optimierte Prozesse zur Minimierung des Materialverbrauches entwickelt. Der elektrische Antrieb stellt einen wichtigen Teil im Antriebsstrang zukünftiger Mobilitätsformen dar,

Abb. 2: Ambidextere Wicklungsmontage für die flexible Motorenfertigung

muss jedoch stets im Zusammenwirken mit den weiteren zentralen Elementen wie Bordnetz, Leistungselektronik, Energiespeicher, Ladeschnittstelle und Energienetz betrachtet werden. Die Forschungsarbeiten am E|Drive-Center werden daher um die komplementären Arbeitsgebiete zur Produktion der Leistungselektronik, der automobilen Bordnetze und der Ladetechnologien ergänzt. Dazu wird beispielsweise der Entwicklungsschwerpunkt Elektronikproduktion des Lehrstuhls FAPS im Bereich Leistungselektronik ausgebaut und räumlich in das E|Drive-Center auf dem AEG-Gelände integriert. Dieser Schritt ist von besonderer Bedeutung, da leistungsstarke elektrische Antriebe und die dazugehörige elektronische Ansteuerung in industriellen Anwendungen bisher fast ausschließlich konventionell getrennt (Schaltschrank und Motor) aufgebaut werden. Zur Minimierung des Bauraums, Reduzierung der Leitungsverluste, Verringerung der Material- und Montagekosten, Optimierung des Wärmemanagements sowie zur Erhöhung der Sicherheit steigt konsequenterweise auch die Nachfrage nach baulich integrierten Systemen von Elektro-

59 motor und Leistungselektronik. Zudem sind die bisher in der Elektronik auf Baugruppenebene eingesetzten Aufbau- und Verbindungstechniken (Löten, Bonden, Kleben) zum Teil für die Kumulierung der hohen Anforderungen im Automotive-Bereich nicht geeignet und müssen gezielt dafür weiterentwickelt oder neu kreiert werden. Die bekannten Substratmaterialien und Strukturierungstechnologien, die die erforderliche Temperaturbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Strombelastbarkeit aufweisen, sind entweder technisch ungeeignet (z.B. FR4) oder zu teuer (z.B. AlN). Diese erhöhten Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik für die Elektronik gelten auch für die elektrische Vernetzung der einzelnen Subsysteme des elektrischen Antriebsstrangs im Elektrofahrzeug (Batterie, Elektromotor, Leistungselektronik) untereinander sowie mit der externen Ladestelle. Im Bereich der Ladeschnittstellen für Elektrofahrzeuge werden derzeit noch kabelgebundene Lösungen bevorzugt. Diese führen jedoch zu Problemen wie potenziellem Vandalismus an zugänglichen Kabeln, erhöhten Wartungskosten durch Verschleiß und einem geringen Ladekomfort durch die erforderlichen Ein- und Aussteckprozesse. Mit der verfügbaren Technologie der kontaktlosen Energieübertragung besteht eine attraktive Alternative mit signifikanten Vorteilen wie geringerem Wartungsaufwand, verbessertem Komfort und höherer Sicherheit durch Eliminierung der Ladekabel sowie optimierte Ästhetik und reduzierte Investitionskosten durch Substitution teurer Ladesäulen. Fokus der Arbeiten im E|DriveCenter Nürnberg liegen dabei im Aufbau roboterbasierter Verfahren zur Verarbeitung der notwendigen Leiter- und Ferritmaterialien und der erforderlichen Elektronikintegration für induktive Ladesysteme auf Fahrzeug- und Infrastrukturseite. Die Produktion einer steigenden

E|Drive-Center Nürnberg

Abb. 3: Methoden der Digitalen Fabrik zur Absicherung unterschiedlicher Fertigungsszenarien

Anzahl von Fahrzeugvarianten durch die (Teil-)Elektrifizierung des Antriebsstranges und neuer innovativer Ladeverfahren führt somit insgesamt zu immer komplexeren Produktionsanlagen entlang der automobilen Wertschöpfungsketten. Die Produktions- und Montageprozesse für neue, teils noch gar nicht bekannte Komponenten müssen kurzfristig aus den bewährten Industrieanwendungen auf die automobilen Anforderungen angepasst werden. Mittelfristig müssen sie vollkommen neu konzipiert und entwickelt werden, um in dem zu erwartenden internationa-

len Wettlauf eine führende Rolle einnehmen zu können. Zur Beherrschung der hohen Unsicherheiten hinsichtlich der Absatzzahlen und zur schnellen Definition der am besten geeigneten Fertigungstechnologien bzw. des am besten geeigneten Automatisierungsgrades sollten die Montage- und Produktionsprozesse rechnergestützt durch Methoden der Digitalen Fabrik abgesichert werden (Abb. 3). Zur Umsetzung dieser weitreichenden Innovationen kann das E|Drive-Center umfangreiche Forschungsarbeiten durchführen, insbesondere zur Reduzierung der

Kosten für die erforderlichen mechatronischen Komponenten und Systeme im elektrischen Antriebsstrang (siehe Abb. 4) durch effiziente Produktionstechnologien. Das E|Drive Center kann somit zur Sicherung von Wertschöpfung in Bayern beitragen. Durch den Ansatz des E|Drive-Centers Nürnberg werden dabei die Marktchancen für attraktive Fahrzeuge und leistungsfähige Komponenten sowie für innovative Produktionslösungen des deutschen Maschinenund Anlagenbaus gefördert. Unternehmen werden zudem in Netzwerken zusammengeführt, um auf die zukünftigen Anforderungen auf OEM- und Lieferantenebene schnell und unternehmensübergreifend reagieren zu können. Hierfür wird auf Basis des erfolgreichen 1. Internationalen Kongresses zur Produktion elektrischer Antriebe (E|DPC 2011), den das E|Drive-Center Ende September 2011 in Nürnberg mit über 350 Teilnehmern aus über 20 Ländern veranstaltete, im Jahr 2012 (E|DPC 2012) zusätzlich eine internationale Ausstellung zur elektrischen Antriebstechnik zusammen mit den Messen Nürnberg und Frankfurt / MESAGO etabliert. Autor:

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Florian Risch

Bayerisches Technologiezentrum für elektrische Antriebstechnik (E|DriveCenter) am Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Abb. 4: Am Lehrstuhl FAPS adressierte Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs

Fürther Str. 246b D-90429 Nürnberg Tel.: +49.911.5302.9065 Fax: +49.911.5302.9070 E-mail: Florian.Risch@faps.uni-erlangen.de www.faps.uni-erlangen.de

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Die bayerischen Standorte werden ausgebaut Das Entwicklungszentrum München gehört zu den größten Niederlassungen von IAV, und auch in anderen süddeutschen Städten ist das Unternehmen präsent. Steffen Lintz (Leiter des IAV-Entwicklungszentrums München) und Karsten Müller (Fachbereichsleiter E-Traktionssysteme bei IAV) berichten über die Aktivitäten auf dem Gebiet der E-Mobilität und die Zukunft der Standorte in Bayern. Warum konzentriert sich IAV in Bayern so stark auf die E-Mobilität? Lintz: Wir arbeiten auf diesem Gebiet seit vielen Jahren mit süddeutschen Automobilherstellern zusammen, und mittlerweile fahren die ersten Hybrid-Fahrzeuge auf den Straßen, an denen wir beteiligt waren. Diese Entwicklung wird künftig mit noch höherem Tempo weitergehen – denn alle OEMs müssen Hybride und Elektrofahrzeuge auf den Markt bringen, wenn sie bis 2016 die CO2-Flottenziele einhalten wollen. Das zeigen auch unsere aktuellen Projekte: Wir entwickeln im Moment Hybride, PlugIn-Hybride und reine Elektrofahrzeuge. Die klassische Antriebsentwicklung um Verbrennungsmotor und Getriebe wurde damit um einen Schwerpunkt erweitert, den elektrischen Antrieb.

IAV GmbH

Was haben Sie aus Ihren bisherigen Projekten gelernt? Müller: Diese erste Generation von Fahrzeugen hat uns zahlreiche Einsichten gebracht – etwa über die Anforderungen an die HochvoltSicherheit und die Lebensdauer der Komponenten. Zudem haben wir viel über die mechanische Beanspruchung der Bauteile gelernt, wert-

Illustration eines Elektro-Sportwagens mit Batterie und Elektronik

volle Erkenntnisse über das Zusammenspiel der Steuergeräte und Software gewonnen und daraus Betriebsstrategien entwickelt, die für eine maximale Reichweite optimiert sind. Für uns war es sehr wichtig, einen kompletten Entwicklungsprozess für diese neue Technologie zu durchlaufen. Diese Erfahrungen fließen nun in die nächste Generation von Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen ein. Lintz: Wir haben gemeinsam mit den Herstellern auch Flotten betrieben, um das Verhalten der Nutzer zu studieren. Hier haben wir Fragen untersucht, die für künftige Entwicklungen wichtig sind: Zu welcher Tageszeit werden die Autos genutzt? Welche Strecken legen die Fahrer zurück? Wann laden sie die Batterie nach? Erste Ergebnisse zei-

gen beispielsweise: Zu Beginn laden die Fahrer die Batterie bei jeder Gelegenheit nach – aber nach einer Weile fassen sie Vertrauen und reizen die Ladekapazität mehr aus. Solche Erkenntnisse helfen uns dabei, die Betriebsstrategien von E-Fahrzeugen weiter zu verbessern.

Welche weiteren Arbeitsschwerpunkte haben Sie im Moment? Müller: Nachdem wir die Technik im ersten Schritt serienreif entwickelt haben, stehen wir nun vor der nächsten Herausforderung: Wir müssen die Kosten senken! Bislang haben wir uns in der Entwicklung vor allem auf Oberklasse- und SUV-Modelle konzentriert. Um den Flottenverbrauch der Hersteller zu senken,

IAV GmbH muss die Hybridtechnologie mittelfristig auch in die Mittel- und Kompaktwagenklasse einziehen. Das bedeutet neben der technischen auch eine kommerzielle Herausforderung, denn die Fahrzeuge müssen für eine breite Käuferschicht erschwinglich sein. Für uns als E-Antriebs-Entwickler bedeutet dies: Wir müssen sehr viel Cost-Engineering bei „unseren“ Komponenten betreiben und in der Peripherie des Gesamtsystems möglichst viele Komponenten (Aktoren, Sensoren, Kühlungselemente usw.) aus klassischen Verbrennungsmotor-Fahrzeugen übernehmen. Dies erfordert zum Teil ganz neue Denkansätze und fachgebietsübergreifende Zusammenarbeit. Lintz: Neben dem Antrieb liegt nun ein großer Fokus in der Fahrzeugentwicklung. Thermodynamik und Gewicht sind die beiden Stichworte. Wärme und Kälte für Insassen und Antrieb gilt es bedarfsgerecht bereit zu stellen. Dazu benötigen E-Fzg und der Hybrid neue Konzepte. Statt dadurch Mehrgewicht zu erzeugen, sind gerade bei Hybriden ca. 200 Kilogramm Mehrgewicht zu kompensieren etwa bei der Karosserie oder beispielsweise bei den Sitzen. Darum haben wir in München auch Experten für Aluminium und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK).

Wie wichtig sind Kooperationen mit den nahe gelegenen Universitäten für Ihre Arbeit? Lintz: Sehr wichtig, weil wir dadurch auf neueste Forschungsergebnisse und modernste Labors zurückgreifen können. Darum arbeiten wir seit Jahren eng mit der TU München, der Hochschule München und der Fachhochschule Ingolstadt zusammen. Aus unserer Kooperation mit der TU München ist letztes Jahr beispielsweise „MUTE“ hervorgegangen, der Prototyp eines extrem leichten und

Illustriertes Chassis eines Diesel-Plug-In-Hybrid

kostengünstigen Elektrofahrzeugs, der auf der IAA für Furore gesorgt hat. Dabei kam uns die gute Ausstattung des IAV-Standorts München zugute: Wir konnten die TU-Entwickler nicht nur bei Fragen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und der Hochvolt-Sicherheit unterstützen, sondern auch den Rahmen in Aluminium-Leichtbauweise konstruieren, berechnen und aufbauen.

Und wie sieht die „elektrische“ Zukunft an den bayrischen Entwicklungsstandorten aus? Müller: Unsere Werkstätten in unseren Standorten in München und Gaimersheim wurden bereits für den Betrieb mit Hochvoltsystemen ausgerüstet, die Mitarbeiter entsprechend geschult. Darüber hinaus planen wir in der Umgebung von Manching ein neues Test- und Entwicklungszentrum, welches zunächst einen KlimaRollenprüfstand erhält. Dieser ist sowohl Allrad- als auch E-Fahrzeug-tauglich. Damit können wir praktisch jede denkbare Antriebsstrang-Konfiguration unter fast realen Bedingungen testen. Dies hilft, die Entwicklungszeiten für die nächste Generation der Antriebssysteme deutlich zu verkürzen. Aufwändige Erprobungen

unter arktischen oder tropischen Umgebungsbedingungen können wir so sehr real „im Labor“ nachstellen. Sukzessive werden wir das Test- und Entwicklungszentrum mit Komponenten- und Systemprüfständen des elektrischen Antriebsstranges erweitern. Neben der Technik brauchen wir dafür natürlich auch qualifiziertes Personal. Wir suchen ständig Mitarbeiter für Projekte im Bereich E-Mobilität – momentan vor allem Elektrotechniker und Mechatroniker mit Kenntnissen über Leistungselektronik, E-Maschinen und Batterien. Außerdem brauchen wir Thermodynamiker, für die erwähnten Aufgaben der Kühlung. IAV spürt einen starken Rückenwind, was die Automobilentwicklung allgemein und die Elektrifizierung speziell angeht. Neben Asien spielt Deutschland eine entscheidende Rolle. Für IAV wird dabei ein Fokus in Bayern liegen. Kontakt: Diana Reuter Pressereferentin / Marketing (Z-M) Public Relations / Marketing

IAV GmbH Carnotstrasse 1 10587 Berlin Tel.: +49 30 39978-9689 Fax: +49 30 39978-9444 E-Mail: diana.reuter@iav.de www.iav.com

Steigende Komplexität gleich steigende Chancen? Warum nicht.

Whiteblue Consulting GmbH

Die Hintergründe Heute ist ein Automobilhersteller erfolgreich, wenn seine Fahrzeuge individuelle Kundenbedürfnisse erfüllen. Die Hersteller reagieren auf diese Marktzwänge mit einer Differenzierungs-Strategie, welche eine enorme Fahrzeugvielfalt mit sich bringt. Dies drückt sich nicht nur durch Karosserieform und -farbe aus, sondern vor allem durch Funktionen, die in ca. 80% der Fälle über Elektronik und Software realisiert werden. Tendenz: exponentiell steigend. Die Elektromobilität wird dies noch einmal drastisch beschleunigen. Marktanforderungen und verkürzte Entwicklungszyklen führen zu steigender Komplexität der Elektronik-Systeme. Das große Risiko ist eine Softwarestruktur, die so unübersichtlich ist, dass auf der einen Seite Neuerungen nur schwer integrierbar sind, auf der anderen Seite die Funktionen und Interaktionen nicht mehr effizient getestet werden können. Jeder, der schon einmal seinen streikenden Fensterheber durch den Neustart des Wagens reaktivieren konnte, weiß wovon die Rede ist. Es entsteht Wildwuchs oder fachlich korrekt ausgedrückt, schwer beherrschbare Systeme. Doch kann man dieser Falle entgehen? Kann man trotz immer komplexerer Systeme Innovationen generieren? Ja, man kann! Es bietet sich sogar die Chance die Innovationskraft zu steigern. Exemplarisch wollen wir einige Möglichkeiten vorstellen.

Der Anteil der Elektronik am Produktangebot eines Automobils steigt rapide

Die Lösungen In der Entwicklungsphase ist ein wichtiger Baustein die Standardisierung von Elementen, die für viele Hersteller gleich sind und kein Unterscheidungsmerkmal bilden. Diese Elemente werden im besten Fall zusammen mit anderen Firmen standardisiert. Damit erschlägt man gleich mehrere Fliegen mit einer Klappe. Zum einen bringen verschiedene Firmen verschiedene Ziele und dadurch Sichtweisen ein. Dies führt schon zwangsweise zu einer generischen und strukturierten Architektur. Zum anderen können diese nicht wettbewerbsrelevanten Entwicklungen ausgelagert werden. Das wiederum schafft Freiräume, sodass die eigenen Ressourcen innovative wettbewerbsrelevante Funktionen entwickeln können. Eine standardisierte Softwarearchitektur bietet zum Beispiel AUTOSAR. AUTOSAR ermöglicht bei unseren Kunden die Ent-

wicklung von Steuergeräten mit einem Funktionsumfang, der mit der firmeneigenen Architektur nur schwer realisierbar gewesen wäre. Das spart Hardware-Kosten und richtet durch den modularen Aufbau den Fokus auf neue Funktionen. Im Bereich der Systemintegration und Absicherung führt die Varianten- und Funktionsvielfalt zu Risiken hinsichtlich der Produktqualität und somit im schlimmsten Fall zu Gewährleistungsfällen, die neben dem monetären Schaden auch das Markenimage schädigen. Um die Qualität zu sichern, aber nicht in Mehraufwänden zu ertrinken, sind neue Strategien notwendig. Virtualisierung und Automatisierung spielen dabei eine entscheidende Rolle. Die Testdurchführung erfolgt weitgehend durch vollautomatische Testwerkzeuge. So können in kürzerer Zeit durch häufigere Testzyklen reproduzierbare Ergebnisse für unterschied-

Whiteblue Consulting GmbH liche Systemvarianten gewonnen werden. Daneben werden gezielt die relevanten Testebenen wie Komponenten-, Teil- oder Gesamtsysteme genutzt. Denn große Versuchsträger sind teuer und nicht immer notwendig. Eine stark vernetzte Funktion, wie z.B. das Motor-Start-Stopp-System, kann so im Gesamtfahrzeug und andere Funktionen, wie z.B. der Fensterheber, in Komponenten- oder Teilsystemen bestätigt werden. Um die Komplexität der Elektronik-Systeme in der Integration vollends zu beherrschen, um ungewollte Redundanzen zu vermeiden und entscheidende Synergien zu realisieren, muss sich die Absicherungsstrategie baureihenübergreifend mit den Fragen beschäftigen, was, wann, wie und wo abgesichert werden muss. Der vorherrschende Ansatz der Bau-

Steigende Komplexität gleich steigende Chancen

meinsam können Lösungen erarbeitet werden, die im Wettbewerb bestehen. Dies verlangt ein Umdenken auf beiden Seiten. Das Marktumfeld wird gerade durch die Aktivitäten im Bereich Elektromobilität für die gesamte Branche immer dynamischer und agiler. Klassische Vorgehensweisen taugen hier immer weniger. Der Projektmanager benötigt Führungsfähigkeiten, um die sozioökonomischen Zusammenhänge zu berücksichtigen, denn mit dem bloßen Sammeln und Verwalten von Metriken entstehen keine Freiräume für Ideen und Innovation.

gangen wird. Schließlich wird die zielgerichtete Nutzung kollektiven Wissens der Motor für Innovation sein.

Autoren: Natalie Friedl

Das Fazit Nur gemeinsam können tragfähige Lösungen erarbeitet werden

kastenentwicklung muss sich zukünftig auch in der Systemintegration wiederfinden. Hier macht die Not erfinderisch: Ideen dazu sind zum einen die Strukturierung der Aufwände in übergreifende Testphasen mit spezifischen Zielen und Inhalten. Zum anderen sind es neu gestaltete Schnittstellen zum Lieferanten, wie die gemeinsame Nutzung von Versuchsträgern. Neben den Optimierungsverfahren am Produkt selbst, gewinnt die Wissenssteigerung durch Vernetzung rasant an Bedeutung. So muss sich die Zusammenarbeit mit Zulieferern ändern. Nur ge-

Dies alles ist nicht von heute auf morgen erreichbar. Gefragt sind Weitsicht und Mut Rückschläge zu verkraften, daraus zu lernen und die sich bietenden Potenziale zu nutzen. Das größte Hindernis ist es, eingefahrene Denkmuster in den Köpfen der Beteiligten zu lösen. Veränderungen setzen voraus, dass die Notwendigkeit von den Beteiligten erkannt wird. Partnerschaften verlangen Vertrauen und den Umgang auf Augenhöhe. Whiteblue Consulting hilft seinen Kunden komplexe Problemstellungen aufzulösen. Darüber hinaus haben wir erkannt, dass nicht nur Innovationen bei Endprodukten die Wettbewerbsfähigkeit ausmachen, sondern vor allem auch wie innovativ und kreativ mit Problemstellungen im vernetzten Arbeitsumfeld umge-

Senior Consultant

Whiteblue Consulting GmbH Emmy-Noether-Str. 4 80992 München Tel.: +49 89 622338-0 Fax: +49 89 622338-50 Natalie.Friedl@whiteblue.com www.whiteblue.com

Peter Kobriger Managing Consultant

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Waisenhaus in Dazhou eröffnet Engagement im Erdbebengebiet der Provinz Sichuan

Chinesische Waisenkinder

Am 21. August 2009 konnte das lang ersehnte Waisenhaus eingeweiht werden. Im Beisein von Herrn Meier und Herrn Wild von der AUDI AG China erfolgte bei einem sehr emotionalen Festakt

die Übergabe. Einige Bilder sind auf unserer Homepage unter www.chinawaisen.de zu besichtigen! Heping Wang, Leiter des Kinderdorfes in Dazhou schreibt:

„...die selbstlose Hilfe, die Ihr Verein und AUDI unserem Kinderdorf gewährte, hat uns unerschöpfliche Kraft gegeben. Ein Land hat Grenzen, aber die Liebe ist grenzenlos!“

Mit Unterstützung von Audi und dem Verein zur Förderung chinesischer Waisenkinder e.V. finden 200 Kinder eine neue Heimat

Trägt die Handschrift unserer Ingenieure. Aber liest Ihre.

Der neue Audi A3 mit MMI touch. Weiter voraus. Unsere Ingenieure haben dem neuen Audi A3 sogar das Lesen beigebracht. Er liest Ihre Handschrift genauso intuitiv, wie Sie fahren. Zahlen und Buchstaben, die Sie mit dem Finger auf die Oberﬂäche des optionalen MMI touch schreiben, werden direkt erkannt. Das macht die Bedienung der Infotainment-Funktionen noch einfacher – Hand drauf. Kraftstoﬀverbrauch in l/100 km: kombiniert 5,6–4,1; CO2-Emissionen in g/km: kombiniert 130–106.