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Carbon bei BMW : Keine Angst vor hohen Stückzahlen

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Höchste Präzision: Das Rohmaterial für die Dachholme des BMW7er kommt hier frisch aus dem Flechter Bild: SGL Kümpers

Carbon ist ein Material mit vielen Vorzügen. Es ließ sich aber bisher nicht mit vertretbarem Aufwand in Großserie herstellen. Diese Hürde hat BMW jetzt erstmals genommen.

          Carbonfasern sind verlockend leicht. Aus Kohlenstoff gefertigt, kommen sie überall dort zum Einsatz, wo es auf höchste Stabilität bei geringem Gewicht ankommt, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sowie an Rennwagen, Yachten und anderen Sportgeräten. Und zunehmend auch im Serienautomobil, um den Verbrauch zu verringern. Denn je weniger Gewicht der Verbrennungs- oder Elektromotor zu schleppen hat, desto weiter kommt das Fahrzeug.

          Diese Entwicklung mit dem Ziel der Effizienzsteigerung wird in den kommenden Jahren weiter an Bedeutung zunehmen. In der Regel besteht eine gängige Leichtbaukarosserie aus einem Mix von Stahl, Aluminium und zukünftig vermutlich auch Carbon, um an jeder Stelle den technischen Anforderungen zu entsprechen.

          Für die Metallwerkstoffe gibt es bewährte Fertigungsverfahren auch für große Stückzahlen. Bei Carbon hingegen bereiteten diese bisher den Produktionsleuten Kopfzerbrechen. Denn ein Autohersteller fängt sich, vereinfacht gesagt, an zu freuen ab einer Menge von 100 000 Fahrzeugen im Jahr und reibt sich fröhlich die Hände, wenn es etwa in Richtung von 500 000 jährlich verkauften Mobilen eines Modells geht. Bereits die erste hohe Zahl indessen erschien lange Zeit für Carbonbauteile eine unüberwindliche Hürde. Sie ist genommen, in Bayern: Die Produktionsfachleute von BMW erarbeiteten sich über die Jahre das entsprechende Fachwissen.

          Der Autohersteller unterhält an mehreren Werksstandorten eigene Carbonteil-Fertigungen. Zusätzlich beauftragte er SGL Kümpers in Rheine mit der Produktion. Der Name ist Programm: Er bündelt in einem Gemeinschaftsunternehmen das Werkstoffwissen von SGL Carbon mit dem Textil-Knowhow des Traditionsunternehmen Kümpers. „Vor großen Stückzahlen haben wir keine Angst“, sagt Franz-Jürgen Kümpers, Geschäftsführer und zudem ein Vertreter der vierten Familiengeneration. „Als ich während des Maschinenbaustudiums in Aachen das Flechten technischer Fasern sah, wurde mir klar: Mit klassischer Textilproduktion werde ich nicht alt werden.“ Die, das sei angemerkt, vom im 1886 gegründeten und damit mehr als 130 Jahre alten Stammunternehmen freilich immer noch profitabel betrieben wird.

          Tragende Rolle: Das längste Bauteil des 7er BMW aus Carbonfaser ist der Dachholm

          Werfen wir also den Blick auf den ersten Teil der effizienten Fertigungskette von Carbonbauteilen – auf das Flechten der Rohlinge. Auf den ersten Blick sieht die Fertigungshalle in Rheine wie viele andere moderne Fertigungsstätten aus: Fertigungsinseln, in denen Industrieroboter mit ihren riesigen Armen einen kunstvoll choreographierten Tanz aufführen. Hier umschwingen sie einen Radialflechter. Diesem legen zwei Roboterarme einen Kunststoffkern vor, den zwei weitere auf der anderen Flechterseite wieder entziehen, dann allerdings eingehüllt mit den feinen Fasern: das Carbon-Preform, wie der Fachmann das Fasergebilde noch ohne stabilisierende Kunststoffmatrix nennt. Hier endet die Rolle von SGL Kümpers: Die Rohlinge werden ans BMW-Werk Landshut geliefert, wo ein Harz ins Geflecht injiziert wird, so dass ausgehärtet ein formstabiles Bauteil entsteht: der Dachholm der Siebener-Limousine und somit ein stabilitätsgebendes Strukturbauteil.

          Carbonfasern sind extrem fein

          „Damit begaben wir uns in eine Pionierrolle“, sagt Kümpers. „Aufgrund unserer Erfahrung mit Carbon-Preforms in kleineren Stückzahlen waren wir zuversichtlich, es zu schaffen. Die neue Umsetzung erforderte aber dann doch erheblich Gehirnschmalz.“ Denn der Dachholm ist mit gut drei Metern das längste Carbon-Bauteil im Siebener. Er ist leicht gebogen, hat einen trapezförmigen Querschnitt und eine insgesamt komplexe Geometrie. Sogar mit variablen Wandstärken. Die exakte Form inklusive Winkellage der Faserbänder ist über den gesamten Verlauf genau vorgegeben. Verarbeitet werden Carbonfasern mit einem Durchmesser von 7,2 Mikrometer – etwa zehnmal dünner als ein menschliches Haar.

          Bearbeitet die extrem feinen Fasern: die Carbonfaser-Flechtmaschine

          „Die größte Herausforderung ist die koordinierte Synchronbewegung der vier Roboterarme, damit sie den biegeschlaffen Holmkern exakt im arbeitenden Flechter positionieren und auch wieder herausnehmen. Sie greifen dabei immer wieder nach, um das lange Teil zu bewältigen“, erläutert Kümpers. Mit einem Vergleich beschreibt er die anspruchsvolle Aufgabe der Roboter: „Stellen Sie sich zwei Personen vor, die zwischen sich ein Seil spannen. Nun zieht eine dritte Person in der Mitte das Seil leicht zu sich her. Die Aufgabe ist nun, dass alle drei Personen gemeinsam durch den Raum gehen, ohne dass das Seil zu irgendeinem Zeitpunkt an einer Stelle seine gerade Ausrichtung verliert oder ein zugloser Zustand entsteht.“

          Gewichtsverringerung um 150 Kilo

          Eingebettet sind zahlreiche Überwachungsmaßnahmen zur Qualitätssicherung, die jeden einzelnen Holm exakt erfassen. Deshalb nimmt beispielsweise eine Waage auf ein Zehntausendstel Gramm genau das Gewicht des Preforms, vergleicht mit der Vorgabe und detektiert damit fehlende Faserbündel, selbst abschnittsweise. Und eine Bildverarbeitung misst die korrekte Winkellage der Faserbänder.

          Seit Herbst 2015 läuft bei BMW die derzeitige Siebener-Generation mit zwei Carbon-Dachholmen – einer rechts, einer links – vom Band. Sie und zahlreiche weitere Maßnahmen bringen das Fahrzeuggewicht im Vergleich zum Vorgänger je nach Ausführung und Ausstattung insgesamt um bis zu 130 Kilogramm herunter. Damit hat die Limousine zugleich die Messlatte der Carbonteil-Produktion höher gelegt. „Und doch stehen wir wieder an einem nächsten Anfang“, sagt der Textilfachmann Kümpers mit Blick auf die Zukunft. Denn er weiß: Bei 100 000 Bauteilen beginnt es für die Automobilindustrie erst.

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