Tki andreas rennet_leichtbaukasten_gen_20161202_final

1 TKI „Leichtbaukasten © TKI TurnKey Innovations GmbH, Rechte an Bildern: s. Quellenangaben Dr. Andreas Rennet

innovation at work

LEICHTBAUKASTEN


innovation at workWas ist die richtige Leichtbaustruktur für ein E-Fahrzeug?Basierend auf der Fragestellung, wie in einer frühen Phase das richtige Leichtbaukonzept für ein E-Fahrzeug entwickelt werden kann, musste ein allgemein gültiger

Lösungsansatz gefunden werden, der als Prozess für weitere Strukturen reproduzierbar ist.

Ein einfache Frage und ein einfacher Prozess

Leider ist die Realität komplexer…..

Aufgabenstellung

Leichtbaustruktur für

ein E-Fahrzeug

Resultat

Optimale

Leichtbaustruktur für ein

E-Fahrzeug

Hilfs-Tool

Knowledgebase

basierte Bewertung

und vorgaben von

Leichtbauansätzen


innovation at workLEICHTBAUKASTENInhaltlicher Aufbau

Der Leichtbaudschungel

Zeit aufzuräumen

Die Leichtbaumatrix

Der Leichtbaukasten

Zusammenfassung und Ausblick


innovation at workDer Druck Gewicht zu senken – die Lösungsinflation als FolgeDie Anzahl unterschiedlicher Leichtbaulösungen hat sich in den vergangenen Jahren fast exponentiell nach oben entwickelt. Immer mehr unterschiedliche Werkstoffe

kommen zum Beispiel bei der Karosserie zum Einsatz.

1974 1990 20202015

55%43%

2%

Weiche Stähle

Hochfeste Stähle

Andere

Materialmix Entwicklung „Stahl“ Karosserie

18%

54%10%

3%

2%13%

Weiche Stähle

Hochfeste Stähle

Höchstfeste Stähle

UltrahochfesteStähle

PH Stähle

Aluminium

15%

35%9%

8%

10%

19% 4%Weiche Stähle

Hochfeste Stähle

HöchstfesteStähleUltrahochfesteStählePH Stähle

Aluminium

FVK/CFK

Quelle: DaimlerQuelle: Daimler


innovation at workDer Druck Gewicht zu senken – die Lösungsinflation als FolgeDie Anzahl unterschiedlicher Leichtbaulösungen hat sich in den vergangenen Jahren fast exponentiell nach oben entwickelt. Derzeit findet wieder eine Konsolidierungs-

phase statt.

1974 1990 20202015

0

100

Leichtbau-

Werkstoffe

Leichtbau-

Technologien

Leichtbau-

Konzepte

Relative Entwicklung Leichtbaulösungen (Index 1974 = 100)

0

100

200

300

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Leichtbau-

Werkstoffe

Leichtbau-

Technologien

Leichtbau-

Konzepte

Leichtbau-

Werkstoffe

Leichtbau-

Technologien

Leichtbau-

Konzepte

Neue Werkstoffe, bestehend Technologien

Neue Technologien und Konzepte

Quelle: TKI


innovation at workViele Leichtbaulösungen sind umgesetzt, es geht aber noch mehr.Ein Vielzahl von Leichtbaulösungen sind bereits umgesetzt. Dennoch können noch größere Gewichtsreduktionspotenziale realisiert würden. Das ist möglich, wenn die

Evolutionsschritte noch größer sind. Hier geben Veränderungswiderstand, fehlendes Wissen aber auch kommerzielle Randbedungen eine Grenze.

Entgegen der Prognose neue

Leichtbau-Lösungen auf einer breiten

Basis zu realisieren, ist die

Umsetzung sehr innovativer Ansätze

eher schleppen.

Sources: Internet / Whitepapers, FOTOLIA


innovation at workDie Zahl der unterschiedlichen Leichtbaulösungen ist immensDurch Kombination neuer Werkstoffe mit neuen Technologien oder Konzepten ist der Lösungsraum gerade zu explosionsartig gewachsen. Schon die Begrifflichkeiten sind

fast nicht mehr beherrschbar.

BH-Stähle

P-Stähle

Mikrolegierte Stähle

DP Stähle

TRIP Stähle

CP Stähle

PM Stähle

MnB Stähle

Al-Mg Legierungen

Al-Mn Legierungen Al-S-Legierungen

Al-Zn Legierungen

Al-LI Legierungen

Al-Cu Legierungen

Mg-Legierungen

Ti-Legierungen

Ti-Al Legierungen

PA

TPE

PC

ABS

Hartschäume

Weichschäume

Harze

Vernetzte PUs

GFK Werkstoffe

AFK Werkstoffe

NFK Werkstoffe

CFK Werkstoffe

SiC

CMC Werkstoffe

MMC Werkstoffe

Glass BubblesOrganobleche

Rovings

3D Textiles

UD Prepregs

MD Prepregs

BMC

GMT

LFT

D-LFT

G-LFTHot Pressing

IMC

LFI

Filament Winding

Pultrusion

High Pressure Molding

MIM

Wax Casting

High Speed RTM

LCM Technolgoien3D Metalldruck

3D Kunststoffdruck MuCell Verfahren

R-RIM

SM Pressen

Tape - LyeringMatch Metal Molding

HPresshärten artschäume

Warmumformung

Hybridbauweisen

Funktionsintegration

Sekundärer Leichtbau

Geklebte Verbindungen

Bionischer Leichtbau

Naturstoff Leichtbau




Zeit aufzuräumen

Die Leichtbaumatrix

Der Leichtbaukasten



innovation at workLeichtbaukonzepte, Werkstoffe und TechnologienDie Anzahl unterschiedlicher Lösungsansätze ist für viele Anwender und Entwickler schwierig zu bewerten. Fehlendes Erfahrungswissen und fehlende

Bewertungskriterien sind die größte Herausforderung

Zeit, aufzuräumen.


innovation at workOrdnungskriterienOrdnung in den Dschungel der Leichtbaukonzepte zu bekommen, bedeutet zielgerichtete Ordnungskriterien zu finden. Davon gibt es viele. Eine mehrdimensionale Matrix

ist dazu notwendig.

Werkstoffklasse

Leichtbau-Performance Values

Technologie

Verfügbarkeit

Anwendungsgebiet

Geometrische Zuordnung

Kosten

Investitionskosten

….

Performance value -10%

Spritzguss

Verfügbarkeit:

- Füller: single source

- Compound: first players

Anwendungsgebiete

- Motorabdeckungen, I-Tafel

träger, Konsolen, Abdeckungen

Optimale Positionen im Fahrzeug

‚- Interior, oberer Bereich

Anwendungsgebiete

- Motorabdeckungen, I-Tafel

träger, Konsolen, Abdeckungen

Kosten: +/- 0%

Investitionskosten: gering

Leichtbau Matrix


innovation at workBauteiltypisierungFür die Zuordnung möglicher Leichtbauansätze (Technologien, Werkstoffe, Verfahren) ist es notwendig, Bauteile zu typisieren. Mit der Typisierung ist es auch ohne CAD

Daten einer frühen Phase möglich, Leichtbaukonzepte für eine Struktur grob festzulegen.

Type Description

Typical Size

mm x mm Remark Picture

Shape

Factor

Stiffness

Relevance Yield MSS

Parts/

Min Cavities

1 Outer Body Panel Type A

2000 x 800

to

3000x1100

Side Panels 33% yes 40% 1.603 € 12 1

2 Outer Body Panel Type B

800 x 500

to

1000 x 800

Fenders, Doors (without

Frame)37% no 60% 342 € 15 2

3 Roof

1000 x 1000

to

1500 x 1200

Hood, Roof, Trunk 21% yes 70% 342 € 15 1

Matrix der Bauteiltypen

- Suche und Definition der möglichen

Leichtbau Lösungen erfolgt entweder per

manueller Suche oder über die Typisierung

von Bauteilen.

- Die Bauteile sind durch wesentliche

Parameter beschrieben und werden mit der

Leichtbaumatrix verbunden.

- Die Typisierung erstreckt sich über flache

Bauteile für Außenhaut über Träger,

Verstärkungen, Knoten bis hin zu massiven

Bauteilen.


innovation at workLeichtbau LösungstypisierungDie Unterschiedlichen im Markt befindlichen Leichtbauansätze (Technologien, Werkstoffe, Verfahren) müssen typisiert werden, um eine Knowledgebase basierte

Zuordnung zu Bauteiltypen zu erlauben.

Typisierung der Leichtbauansätze über beschreibende Element sowie der

Zuordnung beispielhafter Einsatzgebiete. Die Informationen werden ergänzt mit

Hinweisen zu Lieferanten, Werkstoffsystemen, Treiber etc.

BH - Stahl

Phosphorlegierte

Stähle


DP Stähle

TRIP Stähle

CP Stähle

PM Stähle

MnB Stähle

Al-Mg Legierungen

Al-Si Legierungen

Al-Zn Legierungen

Al-Li Legierungen

Al-Cu Legierungen

Mg-Legierungen

Ti-Legierungen

Ti-Al Legierungen

PA

TPE

PC

ABS

Hartschäume

Weichschäume

Harze

Vernetzte PUs

GFK Werkstoffe

AFK Werkstoffe

NFK Werkstoffe

CFK Werkstoffe


innovation at workVerbindungstechnikDie Verbindungstechnik ist beim Leichtbau wesentlicher Faktor der Realisierbarkeit. Im Leichtbaukasten sind unterschiedliche Verbindungstechniken als Matrix den

Verschiedenen Materialien zugeordnet.

Quelle: Arnold Umformtechnik

WERKSTOFF //

VERBINDUNGSTECHNIK

Punkt-

Schweißen

Buckel-

Schweißen Löten MIG/MAG

Laser-

Schweißen Kleben Nieten Clinchen Toxen

Spezial-

Verbinder

Flow-

Forming

Selbstschn.

Schrauben

BH - Stahl

Phosphorlegierte Stähle


DP Stähle

TRIP Stähle

CP Stähle

PM Stähle

MnB Stähle

Al-Mg Legierungen

Al-Si Legierungen

Al-Zn Legierungen

Al-Li Legierungen

Al-Cu Legierungen

Mg-Legierungen

Ti-Legierungen

Ti-Al Legierungen

PA

TPE

PC

ABS

Hartschäume

Weichschäume

Harze

Vernetzte Pus

GFK Werkstoffe

AFK Werkstoffe

NFK Werkstoffe

CFK Werkstoffe

Matrix der Verbindungstechniken

- 3 Dimensionen (Material 1, Material 2,

Verbindungtechnik

- Indikative Aussage, ob für

Materialkombinationen Verbindungstechniken

verfügbar sind


innovation at workVerfahrensbeschreibungen und KostenmodelleFür die Kostenbewertung und Betriebswirtschaftliche Auswertung müssen Prozesse und deren Parameter in Kostenmodellen beschrieben werden. Die Kostenmodelle

werden den Leichtbauansätzen zugeordnet.

Assumptions:

70% Invest MHR

Weight Split 3,5 kg Braiding 450.000 € 36 €

Inner 60% 12,82 €/kg Workshop Prep 200.000 € 20 €

Outer 40% Carbon Fiber Fabrics Price (excl. Margin) 26,55 €/kg RTM Press cpl 2.700.000 € 186 € [incl. Robot]

13,27 €/kg Workshop Finish 150.000 € 16 €

4,5 €/l Workshop Coating 350.000 € 30 €

Margin Tier 3 Carbon Fibiers 17,00% Labor Cost 45 €

Tier 3 Resin 13,00%

Tier 2 Brading 7%

Tier 2 Manufacturing Processes 7%

Pos Material

Weight /

Volume Process

Cycle Time

[sec] Labor Material Cost MatOH Manuf Cost Manuf OH SGA

Margin on

Added Value Sum of Cost

1 Carbon Fiber 1,50 Braiding 750 1 22,50 € 0,90 € 16,92 € 4,23 € 2,54 € 1,18 € 48,27 €

2 Winding Outer Ring 750 1 37,50 € 1,50 € 13,46 € 3,36 € 2,02 € 0,94 € 58,78 €

3 Carbon Fabrics 1,00 Preparatin of Spokes 750 4 30,00 € 1,20 € 41,58 € 10,40 € 6,24 € 2,91 € 92,32 €

4 Resin 2,50 RTM 750 2 57,44 € 14,36 € 8,62 € 4,02 € 84,44 €

5 Finish (Surface and Cleaning) 750 4 40,89 € 10,22 € 6,13 € 2,86 € 60,11 €

6 Varnish 0,1 Coating 750 1 0,45 € 0,02 € 15,53 € 3,88 € 2,33 € 1,09 € 23,30 €

7 Final Finish 750 2 22,14 € 5,53 € 3,32 € 1,55 € 32,54 €

Sum of Cost 399,760 €

Varnish

COST ANALYSIS CARBON TRUNKCarbon Wheel with 50 wt% carbon fiber, Standard Design , Levelled Throughput Takt of 900sec, 2 Shift Model

Material Yield

Weight of 1 Trunk Lid

Carbon Fiber Price (excl. Margin)

Resin Price (excl. Margin)




Zeit aufzuräumen

Die Leichtbaumatrix

Der Leichtbaukasten



innovation at workVerbindung von Struktur und ModellDurch die Verbindung von Strukturdefinitionen über strukturierte Stücklisten mit dem Businessmodell entsteht eine Bewertungsmatrix. Jeder Stücklisteneintrag erhält eine

andere Ausprägung im Businessmodell. Im Prinzip entsteht eine räumliche (Berechnungs)matrix.

13 1FrontEnd 1

14 2 Stiffening Front Central 8 1 1,5 1100 150 Spot Welding 34 Drawing High Strength Steel Sheet

22 2 Frame Right Lighting Unit 14 1 Spot Welding 23

23 3 Frame Left Lighting Unit support 21 1 1,2 700 200 Drawing High Strength Steel Sheet


25 3 Frame Left Lighting Unit support Bracket Bumper 24 1 1,2 120 80 Drawing High Strength Steel Sheet

26 3 Frame Left Lighting Unit support Bracket Lamp 24 1 1,5 120 70 Drawing High Strength Steel Sheet


28 2 Absorber Left 10 1 Spot Welding 15

Welding

Threads 3 Welding Nuts 2

29 3 Absorber side wall 21 1 1,2 350 250 Drawing Mild Steel Sheet

30 3 Absorber side wall 21 1 1,2 350 250 Drawing Mild Steel Sheet

31 3 Absorber top and bottom 21 1 1,1 350 80 Drawing High Strength Steel Sheet

32 3 Absorber top and bottom 21 1 1,1 350 80 Drawing High Strength Steel Sheet

33 2 Absorber Right 10 1 Spot Welding 15

Welding

Threads 3 Welding Nuts 2

34 3 Absorber side wall 21 1 1,2 350 250 Drawing Aluminium Sheet

35 3 Absorber side wall 21 1 1,2 350 250 Drawing Aluminium Sheet

36 3 Absorber top and bottom 21 1 1,1 350 80 Drawing Aluminium Sheet

37 3 Absorber top and bottom 21 1 1,1 350 80 Drawing Aluminium Sheet

38 2 Cross Member Central (behind Bumper) 1 Glueing

39 3 Cross Member Central (behind Bumper) 25 1 1,7 1350 240 RTM CRFP

40 3 Cross Member Central - Attachment plate behind 21 1 1,7 650 80 RTM CFRP

Stücklisten Struktur als BasisBauteil-

informationenVerbindungstechnik

Werkstoff und

Verfahren

Die Stückliste wird mit Informationen aus der Leichtbaumatrix hinterlegt.

Damit ist auf der Teileebene ein Zuordnung zu Werkstoffkosten,

Investitionen, Prozesskosten aber zu qualitativen Informationen möglich.

Die Auswertung kann auf jeder Ebene der Stückliste erfolgen

Leichtbau

DB

Die Stückliste kann beliebig

umstrukturiert werden, um neue

Strukturvorgaben zu definieren.

Indikation möglicher

Leichtbauansätze aus dem

Leichtbaukasten


innovation at workDie LeichtbaumatrixMit dem Ordnungs- und Bewertungsansatz ist es möglich, eine Leichtbaumatrix aufzubauen, diese kann (vereinfacht dargestellt) über die Applikation gelegt werden. So

kann je nach Lage, Konzept und Rahmenbedingungen ein Materialmix vordefiniert werden.

Bauteiltyp: CCB*

Lage: z = 800-1200mm

Referenz: Stahl-Schweißkonstruktion

Alternative 1 Magnesium Guss

Gewichtspotenzial: > 25%

Kosteneinfluss: >> 5€/kg

Verfügbarkeit: o/-

Investition:

Funktionsintegration:

Referenzen im Markt: ja

Innovationsgrad:

Recyclierbarkeit: gut

*Cross Car Beam

Randbedingungen für die Auswertung (Beispielhaft):

C- Segment, 50.000 Fahrzeuge/Jahr, Standort: Europa




Zeit aufzuräumen

Die Leichtbaumatrix

Der Leichtbaukasten



innovation at workDer Leichtbaukasten als vielfältiges ToolDer so entstandene Leichtbaukasten bietet unterschiedliche Möglichkeiten zur Nutzung. Die Verwendung kann sich über unterschiedliche Phasen in der frühen

Konzeptphase erstrecken.

Wissensbasis „Helfer“ in der Konzeptphase Bewertungstool

• Nachschlagewerk für

Leichtbaulösungen für:

• Werkstoffe

• Technologien

• Verfahren

• Einsatzbeispiele

• Vorteile / Nachteile

• Gewichtspotenziale

• Kostenindikationen

• Verfügbarkeit

• Hilfestellung in der Konzeption

einer Leichtbaulösung durch

• Indikation optimaler

Leichtbaulösungen in

Abhängigkeit von

Bauteiltypen, Lage im

Fahrzeug, Stückzahlen,

Gewichtsziele etc.

• Schneller Szenarienbildung

durch Vergleich

unterschiedlicher Ansätze auf

Stücklistenbasis

• Bewertung unterschiedlicher

Fragestellungen:

• Kosten

• Gewichtsreduktion

• Investitionseinfluss

• Verfügbarkeit

• Innovationsgrad

• Gesamtkostenbewertung

• Recyclierbarkeit

• ….


innovation at workDas Optimum Auswählen

Gewicht

Kosten

Investition

Verfügbarkeit

Innovationsgrad

Durch den Leichtbaukasten erfolgt

eine Mehrdimensionale

Betrachtung der Lösungsansätze.

Neben der Betrachtung des

Verhältnisses Gewicht / Kosten

können damit weitere

Randbedingungen betrachtet

werden.

Die Matrixbewertung des Leichtbaukastens erlaubt eine verbesserte Auswahl der Konzepte in einer frühen Phase.

Optimum der Randbedingungen immer am Graphenrand.

Theoretisches Optimum


innovation at workPortfolioauswertungen Für frühe Phasen sind auch Portfolioauswertungen der in Frage kommenden Leichtbaukonzept ableitbar. Unterschiedliche Fragestellungen können so für

Entscheidungsfindungen aufbereitet werden.

Innovationsgrad

Le

ich

tba

u P

ote

nzia

l

Source: TKI

Size of the cubes: availability of the technology

Technologien und

Werkstoffe die

aufgrund

niedrigem

Leichtbaupotential

oder fehlender

Innovation keinen

nachweisbaren

Mehrwert

generieren.

Technologien mit

hohem

Innovationsgrad

und hohem

Einsparpotenzial.

Beispielhafte Portfolio Auswertungen aus dem Leichtbaukaste für relevante hochinnovative

Leichtbaukonzepte (Motorraum).


innovation at workLeichtbau StrukturoptionenWesentlicher Mehrwert ist die Ableitung unterschiedlicher Leichtbaustrukturoptionen die auf der Ebene eine Business-Cases bewertet werden können. In der frühen

Phase einer Produktdefinition sind diese Informationen hinreichend für eine Entscheidungsbasis

18%

54%10%

3%

2%13% Weiche Stähle

Hochfeste Stähle


Ultrahochfeste Stähle

PH Stähle

Aluminium

5% 15%

12%

12%10%

34%

12% Weiche Stähle

Hochfeste Stähle


UltrahochfesteStähle

PH Stähle

Aluminium

FVK/CFK

Strukturoption 1 Strukturoption 2

Gewicht = - 32kg

Kosten = + 25%

Verfügbarkeit = gut

Stückzahl = max. 10k/Jahr

Investitionen = - 5%


innovation at workKostenbewertungen im Vergleich Sowohl auf Strukturebene als auch auf Bauteilebene können Kosten verglichen werden (Szenariovergleich)

Values in €

2,37

1,46

0,45

4,91

0,35

Manufacturing CostMaterial Overhead

0,09

Material Cost TotalInternal Logistics

& Transport

0,00

Margin

0,18

SG & AManufacturing

Overhead

2,21934

1,57880

,45015

5,130,000,19

0,38

0,09

New Material

Original Material

0.000

87

0,22

6

-0.007

5

-0.004

4

-0.031

3

-0.126

2

0.004

1

0.094

Material Comparison (Delta)

IM Cycle time: 42s

15% weight loss

IM Cycle time: 37s

Kostentransparenz

- Abhängig von der Reife und

Detailierung können aus dem

Leichtbaukasten bereits

erste grobe

Kostenbewertungen

abgeleitet werden, die

zumindest eine Indikation

des Einflusses

unterschiedlicher Ansätze

ermöglicht.




Zeit aufzuräumen

Die Leichtbaumatrix

Der Leichtbaukasten



innovation at workZusammenfassung und AusblickDas Konzept des Leichtbaukastens kann eine Hilfe in der Auslegung neuer Fahrzeugstrukturen sein. Ziel ist es dabei, den Einsatz neuer, innovativer Verfahren zu fördern

und das Knowhow im Bereich des Leichtbaus bei potentiellen Anwendern zu verbessern.

Zusammenfassung

• Der Leichtbaukasten kommt als „Knowledge-Base“ zur Bewertung des möglichen Einsatzes unterschiedlicher

Leichtbauszenarien in einer Konzeptphase zum Einsatz

• Durch die Analyse unterschiedlicher Szenarien mit veränderbaren Randbedingungen können verschiedene

Lösungen bewertet werden.

• Der Leichtbaukasten erlaubt eine erste indikative betriebswirtschaftliche Betrachtung

• Das Konzept kann den Einsatz innovativer Leichtbautechnologien oder – Werkstoffe fördern

Ausblick

• Der Leichtbaukasten wird derzeit in eine Tool-Umgebung überführt, um eine leichte Bedienung zu

ermöglichen

• Weitere Daten zu Leichtbaukonzepten werden kontinuierlich eingepflegt

• Die Validierung erfolgt entweder über ein erstes reales Projekt oder im Rahmen eines Forschungsprojektes

Tki andreas rennet_leichtbaukasten_gen_20161202_final

Automotive