Leichtere Fahrzeuge zu bauen, ist eine der wichtigsten Möglichkeiten, um Energie zu sparen und die Umwelt zu schonen. Doch Leichtbau kann auch eine vertrackte Sache sein: Möglicherweise spart ein Türentwickler bei seinem Arbeitspaket ein Kilogramm Gewicht ein – aber das Gesamtfahrzeug wird dadurch nicht leichter, sondern schwerer, weil die veränderte Tür die Stabilität beeinträchtigt und an anderer Stelle der Karosserie Verstärkungen nötig sind, die viel mehr wiegen, als an der Tür eingespart wurde.

Tobias Lüdeke hat in seiner Doktorarbeit eine Systematik entwickelt, mit der schon in frühen Entwicklungsphasen Aussagen über das Gewicht der Endprodukte getroffen werden können.

In der Realität wird ein solches Ergebnis kaum in Serie gehen, weil man solche Irrwege rechtzeitig bemerkt. Aber wenn sich die Erkenntnisse der Dissertation von Tobias Lüdeke in die Realität umsetzen lassen, dürfte die Entwicklung erst gar nicht mehr in solche Sackgassen führen. Man könnte sogar gezielt nach Leichtbauansätzen suchen, die sich gegenseitig verstärken und auch noch die Kosten berücksichtigen.

Im Jahr 2010 begann der Mechatronik-Ingenieur an der Universität des Saarlands mit seiner Doktorarbeit. Neben seiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik von Prof. Dr.-Ing. Michael Vielhaber erforschte er aktuelle Entwicklungsprozesse, um sie am Schluss durch seine neue Systematik zu verbessern.

Frühzeitiger mit dem Thema Leichtbau befassen

Eine der ersten Erkenntnisse: Mit dem Leichtbau befassen sich Entwickler in der Regel erst dann, wenn ein physischer oder virtueller Prototyp vorhanden ist. Eindeutig zu spät, betont Lüdeke, „denn die größten Möglichkeiten, auf das Gewicht, aber auch auf Kosten und andere Aspekte Einfluss zu nehmen, haben die Entwickler ganz zu Beginn der Entwicklung, wenn auf Basis der Anforderungen das Produkt konzipiert wird, also lange bevor Prototypen existieren“.

Soviel darf ein Kilogramm Gewichtseinsparung kosten: Bei klassischen Pkw mit Verbrennungsmotor werden in der Regel 5 bis 7 Euro Zusatzkosten pro Kilogramm eingespartem Gewicht akzeptiert. Bei Elektrofahrzeugen ist die Gewichtseinsparung dreimal so viel wert, weil sie eine Verkleinerung der teuren Batterie ermöglicht. Quelle: akzeptable Mehrkosten pro eingespartem Gewicht (nach Ellenrieder, G. et al. (2013) und Klein, B. (2009)

Das Problem: Es gibt kaum Erkenntnisse dazu, welchen Einfluss Änderungen am Produkt in dieser frühen Phase am Schluss auf das Gewicht und beispielsweise die Kosten haben werden. Lüdeke konzipierte in mühevoller Detailarbeit dafür eine Systematik mit vielen Formeln. Sie erlauben es, durchzurechnen, welche Konsequenzen eine veränderte Konstruktion auf verschiedene Eigenschaften des Endprodukts haben wird. Dass die Formeln funktionieren, hat Lüdeke nachgewiesen. Allerdings geben sie bislang erst eine grobe Auskunft: Macht meine Konstruktionsänderung das Produkt leichter oder schwerer? Um genauere Angaben machen zu können sind noch weitere Forschungen und Entwicklungsschritte erforderlich.

Sekundäre Gewichtseinsparung

Deutlich näher an der Umsetzung liegt der zweite Teil von Lüdekes Dissertation, die er im Juni mit dem Kolloquium abgeschlossen hat. Darin hat er die „sekundären Gewichtseinsparungen“ untersucht. Ein bekanntes Beispiel: Es gelingt, den Motor zehn Kilogramm leichter zu konstruieren, dann ergeben sich daraus weitere, eben sekundäre Einsparungen, weil die Motoraufhängung weniger robust sein muss und sogar die Bremsen ein wenig kleiner dimensioniert sein können.

Krux der Entwickler: Beim Projektstart sind die Einflussmöglichkeiten zur Gewichtsreduzierung am größten – aber man hat kaum Daten, auf die man sich stützen kann. Je konkreter die Daten werden, umso geringer werden die Einflussmöglichkeiten. Dieses Dilemma wird durch von Tobias Lüdeke entwickelte Systematik merklich entschärft. Quelle: Tunnel-Effekt der Gewichtsdaten während der Entwicklung (ursprünglich nach Dahm, H. et al. (2005), mit Ergänzungen)

„Dafür habe ich ein Systemmodell entwickelt, das auf Basis mathematischer Formeln solche sekundären Effekte erfasst“, erläutert Lüdeke. „Ich kann also gewissermaßen simulieren, welche Auswirkung eine lokale Gewichtseinsparung auf das Gesamtgewicht des Systems oder Fahrzeugs hat.“ Weiterentwicklungen der Systematik würden es letztlich ermöglichen, die Auswirkungen der Maßnahmen beispielsweise auf Kosten und Recycling zu berechnen – und zwar im Konstruktionsstadium, wenn also Optimierungen noch einfach realisierbar sind.

Fahrzeugkonfigurator der Zukunft

Inzwischen treibt das Innovationsteam von csi, in dem auch Tobias Lüdeke seit Mai 2015 tätig ist, das Thema des systematischen Leichtbaus in gemeinsamer Forschungsarbeit mit Prof. Vielhaber weiter voran. Auch hier gilt es, durch Praxisuntersuchungen und mit Hilfe des Erfahrungsschatzes der Mitarbeiter von csi viele Parameter zu ermitteln, um die Formeln an die reale Entwicklungsarbeit anzupassen. „Ich kann zwar keinen Zahlenwert nennen, aber ich bin recht sicher, dass auf diese Weise noch recht große Gewichtsreduzierungen möglich sind“, betont Lüdeke. Er zitiert Studien, die davon ausgehen, dass pro Kilogramm Primäreinsparung etwa 0,5 bis 1,0 Kilogramm zusätzliche Sekundäreinsparungen möglich sind.

Dieses Potenzial nutzbar zu machen, wäre schon eine Menge. Doch Tobias Lüdekes Vision reicht noch weiter. „Im Idealfall könnte ich mir vorstellen, dass auf Basis meines Ansatzes und aus Daten sowie Erkenntnissen der Hersteller eine Art Fahrzeug-Konfigurator entsteht. Dieser wäre natürlich nicht im klassischen Sinne für Endkunden gedacht, die ihr Wunschfahrzeug zusammenstellen. Vielmehr könnte er in der frühen Phase des Produktentstehungsprozesses eingesetzt werden und hier einen echten Meilenstein in der Entwicklung bedeuten.“

Konkret hieße das: Die Konfiguration oder Änderung von Merkmalen (z.B. Abmaße, Radstand) und Eigenschaften (z.B. Fahrzeugklasse, Art der Antriebstechnik, Zielmarkt, …) ließe sich einfach und schnell per Drag-and-Drop am Bildschirm ausführen. So würden sich in kürzester Zeit grobe Aussagen zu Gewicht, Schwerpunkt, Kosten, Verbrauch, Reichweite und vielen weiteren Merkmalen treffen lassen – und das nicht nur vor dem ersten physischen sondern sogar vor dem ersten virtuellen Prototyp.