Die Werkstofftechnik
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Mit ihrem Know-how begleitet die Werkstofftechnik der Audi-Qualitätssicherung die werkstofflichen Herausforderungen über die komplette Prozesskette – beginnend bei der Produktentstehung bis hin zur Produktbewährung.
Focused Ion Beam (FIB) – Innovatives Analysetool
Neben konventionellen Analysetechniken, wie etwa lichtoptischen Mikroskopieverfahren setzen die Werkstoffexperten bei Audi auch Rasterelektronenmikroskope zur Analyse ein. Diese ermöglichen eine deutlich höhere Analysetiefe der Werkstoffe.
Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) liefert hochauflösende Bilder von Bruchflächen oder wichtige Erkenntnisse über die Konzentration und Verteilung der chemischen Elemente im untersuchten Werkstoff.
Seit vier Jahren kommt bei der Werkstofftechnik ein Focused Ion Beam (FIB) zum Einsatz, ein fokussierter Ionenstrahl. Damit ist die Marke mit den Vier Ringen Vorreiter unter den Automobilherstellern. Die Kombination aus einem bildgebenden Rasterelektronenmikroskop und einer Ionenkanone als abtragendem Werkzeug erlaubt es, hochauflösende Querschnittsaufnahmen von Werkstoffsystemen zu erstellen.
Das Funktionsprinzip des Focused Ion Beam: Der Gallium-Ionenstrahl des FIB gräbt zunächst ein für das menschliche Auge unsichtbares Loch in den untersuchten Werkstoff. Das integrierte Rasterelektronenmikroskop ermöglicht dann einen hochauflösenden Querschnittsblick unter die Werkstoffoberfläche. Die typischen Schnitttiefen von 5 bis 50 Mikrometern – bei Schnittbreiten von 50 bis 100 Mikrometern – werden in Schnittzeiten von zwei bis fünf Stunden erreicht. Während des Schneidens können die Experten den Vorgang live mit dem Rasterelektronenmikroskop verfolgen, ein großer Vorteil.
Gleichzeitig hat der FIB im Vergleich zu mechanischen Präparationsmethoden wie dem Erstellen von Schliffbildern den großen Vorteil, bei komplexen Werkstoffkombinationen (zum Beispiel harte, dünne Beschichtung auf weichem Substrat) nur geringfügige Präparationsartefakte zu hinterlassen. Darunter versteht man verfälschende Veränderungen etwa an Grenzflächen als Folge der Präparation.
Neben den typischen Analysen im Bereich der Oberflächentechnik, wie Korrosionsschutz-beschichtungen und Lackierungen, wird die FIB-Technik bei Audi für fast alle automobil-relevanten Werkstoff- und Materialsysteme eingesetzt: Metall, Glas, Keramik, Kunststoffe und sogar Leder.
Besonders viel Potenzial hat die FIB-Analysetechnik für die neuen werkstofflichen Heraus-forderungen bei der Elektrifizierung und Digitalisierung. So ist zum Beispiel eine zielgerichtete und hochauflösende REM-Analyse der einzelnen Schichtlagen eines berührungsempfindlichen Bildschirms nur mit einer ionenbasierten Schnittpräparation realisierbar. Mögliche Schwachstellen an den Grenzflächen der einzelnen Schichtlagen, die zu Funktionsfehlern führen können, lassen sich so schon frühzeitig im Entwicklungsprozess identifizieren.
CNG-Drucktanks – Analysen nach dem Absicherungslauf
Audi bietet seinen Kunden mit dem A4 Avant g-tron (CNG-Verbrauch in kg/100 km: 4,3 - 3,8*; Kraftstoffverbrauch kombiniert in l/100km: 6,5 - 5,5*; CO2-Emission kombiniert in g/km (CNG): 117 - 102*; CO2-Emission kombiniert in g/km (Benzin): 147 - 126*) und dem A5 Sportback g-tron (CNG-Verbrauch in kg/100 km: 4,2 - 3,8*; Kraftstoffverbrauch kombiniert in l/100 km: 6,3 - 5,6*; CO2-Emission kombiniert in g/km (CNG): 114 - 102*; CO2-Emission kombiniert in g/km (Benzin): 143 - 126*) zwei nachhaltige Antriebsvarianten. Beide Modelle haben einen bivalenten 2.0-TFSI-Motor mit 125 kW (170 PS). Sie fahren, wie schon der A3 Sportback g-tron (CNG-Verbrauch in kg/100 km: 3,6 - 3,3*; Kraftstoffverbrauch kombiniert in l/100 km: 5,5 - 5,1*; CO2-Emission kombiniert in g/km (CNG): 98 - 89*; CO2-Emission kombiniert in g/km (Benzin): 128 - 117*), wahlweise mit dem klimafreundlichen Audi e-gas, normalem CNG (Compressed Natural Gas bzw. Erdgas) oder herkömmlichem Benzin. Ihre vier hochfesten und sicheren Gastanks bestehen aus einer Mischung aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Sie befinden sich unter dem Hinterwagen. Um eine möglichst große Reichweite im CNG-Betrieb (500 Kilometer) zu erreichen, wurde der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt. Jeder der vier Drucktanks hat deshalb eine eigene Flaschengeometrie. Zusammen speichern sie 19 Kilogramm Gas unter 200 bar Druck.
Die Drucktanks aus CFK und GFK erfüllen die strengen gesetzlichen Sicherheitsbestimmungen. Vor Beginn der Serienproduktion haben die Werkstofftechnik-Experten der Qualitätssicherung im Rahmen des Absicherungslaufs aufwändige Analysen durchgeführt. Damit ist sichergestellt, dass die Energiespeicher der neuen g-tron-Modelle auch noch nach vielen Jahren und zehntausenden Kilometern in Kundenhand einwandfrei funktionieren.
Für die Werkstoffexperten ist in einem ersten Analyseschritt die Computertomographie das zerstörungsfreie Prüfmittel der Wahl. Mit dieser Technik lassen sich zum Beispiel Faserbrüche im Composite-Material sichtbar machen und vermessen.
Für weitere Untersuchungen der Drucktanks werden sogenannte Schliffbilder erstellt. Dazu wird ein Teil des Tanks herausgeschnitten, eine seiner Kanten fein geschliffen und anschließend unter dem Mikroskop begutachtet. Mit dieser Methode lässt sich das Composite-Material der Behälter auf Porengröße und -verteilung optisch untersuchen.
Ein zusätzliches thermisches Verfahren (Kalzinierung) erlaubt eine exakte Bestimmung des Porenanteils sowie eine Überprüfung des Anteils an Glasfasern und Kohlenstofffasern. Die sogenannte DSC-Analyse (Differential Scanning Calorimetry) bestimmt die Erweichungstemperatur des Harzes. So können die Experten die Dauerhaltbarkeit des Materials nach vielen Tausend Kilometern untersuchen.
Darüber hinaus werden die CNG-Behälter im Labor weiteren optischen Untersuchungen sowie werkstofflichen Analysen unterzogen. Eine davon ist die Ermittlung der mechanischen Kennwerte des Inliner, eines gasdichten Kunststoff-Blasformteils, mittels Zugprüfung.
Nachhaltig: pflanzlich gegerbtes Leder
Audi ist Vorreiter bei der Verwendung von chromfrei gegerbtem Leder im gesamten Interieur – seit mehr als zwanzig Jahren. Jetzt folgt der nächste Schritt zu einem noch umweltschonenderen Ressourceneinsatz: Das Unternehmen mit den Vier Ringen setzt auf pflanzlich gegerbtes Leder. In dem patentierten Verfahren kommt Olivenblattextrakt zum Einsatz. Die Werkstoffexperten kontrollieren und begleiten die vielfältigen Prozessschritte vom Aufbroschieren über das Abwelken und Grundieren bis hin zum fertigen Produkt – dem olivenblattgegerbten Leder.
Änderungen und Irrtümer vorbehalten.
*Angaben zu den Kraftstoffverbräuchen und CO2-Emissionen in Abhängigkeit vom verwendeten Reifen-/Rädersatz.
