Konsequenter Leichtbau ist besonders bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb von großer Bedeutung, denn neben der Batteriekapazität ist das Fahrzeuggewicht der limitierende Faktor bei der Reichweite. Um das Mehrgewicht der elektrischen Komponenten zu kompensieren, setzt BMW i bei seinen Fahrzeugen daher konsequent auf Leichtbau und innovativen Materialeinsatz. Das Life-Modul des BMW i3 besteht hauptsächlich aus carbonfaserverstärktem Kunststoff, kurz: CFK. Die Erstellung des innovativen Werkstoffs erfolgt in dem Joint Venture SGL Automotive Carbon Fibers (SGL ACF).

Schon bei der Herstellung der Carbonfasern in Moses Lake wird die Produktionsenergie ausschließlich regenerativ aus lokal verfügbarer Wasserkraft gewonnen und ist damit zu 100 Prozent CO2-frei. Auch in Sachen Energieeffizienz setzt das hochmoderne Werk im US-Bundesstaat Washington Maßstäbe.

Verarbeitung zu textilen Gelegen in Wackersdorf.
Am zweiten Standort des Joint Ventures, im Innovationspark Wackersdorf, werden die in Moses Lake produzierten Faserbündel im industriellen Maßstab zu leichten textilen Gelegen weiterverarbeitet. Nach einer Investition von 20 Millionen Euro und der Schaffung von rund 150 neuen Arbeitsplätzen können am Standort Wackersdorf schon heute mehrere tausend Tonnen Carbonfaser-Gelege pro Jahr hergestellt werden.
Weiterverarbeitung zu CFK-Komponenten in Landshut und Leipzig.

Die aus Wackersdorf angelieferten, in mehreren Lagen und unterschiedlichen Orientierungen angeordneten Gelegestapel, die sogenannten Stacks, werden in den Innovations- und Produktionszentren in den BMW Werken Landshut und Leipzig zu Karosserieteilen für den BMW i3 und den BMW i8 weiterverarbeitet, wo jeweils drei Fertigungslinien für CFK-Karosseriekomponenten betrieben werden.

Den BMW Group Spezialisten ist es gelungen, den Fertigungsprozess für CFK-Bauteile in mehr als zehn Jahren so weiterzuentwickeln und zu automatisieren, dass heute eine wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Großserienfertigung mit hoher Prozesssicherheit möglich ist. So konnten die Herstellkosten für CFK-Karosseriekomponenten in diesem Zeitraum bereits um rund 50 Prozent gesenkt werden.

Ein Heizwerkzeug verleiht dem zugeschnittenen Kohlefasergelege zunächst eine stabile, dreidimensionale Form. Mehrere dieser vorgeformten Preform-Rohlinge können dann zu einem größeren Bauteil zusammengefügt werden. So lassen sich auch großflächige Karosseriebauteile herstellen, die sich aus Aluminium oder Stahlblech nur schwer oder mit deutlich höherem Aufwand realisieren ließen. Nach dem Konfektionieren und Vorformen folgt der nächste Prozessschritt: das Harzen unter Hochdruck nach dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding). Dabei wird in die Preform-Rohlinge unter hohem Druck flüssiges Harz injiziert. Erst durch die Verbindung der Fasern mit dem Harz und das anschließende Aushärten erhält das Material seine Steifigkeit und damit seine hervorragenden Eigenschaften.

Das CFK-Verfahren ist nicht mehr vergleichbar mit einer konventionellen Stahlblechherstellung. Das industrialisierte Produktionsverfahren ist hoch wirtschaftlich und macht die Fertigung großflächiger CFK-Verbundbauteile für die Automobilindustrie erst möglich.

Neue Präzisionsprozesse im CFK-Karosseriebau.
Die CFK-Verbundbauteile werden in Leipzig in der neuen Karosseriebauhalle zusammengefügt. Hier entsteht die Grundstruktur des Life Moduls. Aufgrund der hohen geometrischen Integration benötigt die CFK-Struktur des Life-Moduls für den BMW i3 in Summe im Vergleich mit einer konventionellen Stahlkarosserie nur ein Drittel der Karosseriebauteile – aus rund 150 CFK-Komponenten setzt sich die vollständige CFK-Grundstruktur des Moduls zusammen.

In dem CFK-Karosseriebau gibt es keine Lärmbelästigung durch Schrauben oder Nieten, keinen Funkenflug beim Schweißen – es kommt ausschließlich modernste Klebetechnik zum Einsatz und die ist zu 100 Prozent automatisiert. In dem einzigartigen, von BMW entwickelten Fügeprozess werden dazu die einzelnen Bauteile berührungslos bis auf einen präzise definierten Klebespalt zusammengefügt, um nach dem Klebevorgang eine optimale Festigkeit zu gewährleisten. In der Summe ergibt sich beim BMW i3 je Fahrzeug eine Klebestrecke von 160 Metern Länge.

Leicht und robust: Außenhaut aus thermoplastischen Kunststoffen.
Der BMW i3 ist der erste BMW überhaupt, bei dem die komplette Außenhaut aus Kunststoff besteht. Eine Ausnahme bildet nur das Dach aus recyceltem CFK. Die Kunststoffteile sind um die Hälfte leichter als Stahlblech und zugleich ein korrosionsfreier Oberflächenschutz, der sich energiesparend herstellen lässt. Zudem ist das Material unempfindlich gegenüber Bagatellschäden. 25 Prozent der für die thermoplastischen Außenteile verwendeten Materialien wurden entweder recycelt oder aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt.

Die komplette Außenhaut des BMW i3 wird im BMW Werk Leipzig hergestellt. Bei der abschließenden Lackierung erhalten die Außenhautteile ihren Glanz und die Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie zum Beispiel Steinschlag oder Sonneneinstrahlung. Die neue Lackiererei in Leipzig läuft durch Trockenabscheidung ohne jegliches Abwasser und benötigt nur rund ein Viertel der Energie, die sonst in diesem Bereich eingesetzt wird. Zudem benötigt die Lackierung eines BMW i3 rund 70 Prozent weniger Wasser. Denn im Unterschied zur traditionellen Karosserie muss bei der Produktion der BMW i Modelle nicht mehr die gesamte Karosserie in mehreren Arbeitsschritten gegen Korrosion geschützt, lackiert und getrocknet werden. Die Stoßfänger, Front-, Heck- und Seitenteile können einzeln ressourcenschonend lackiert werden. Durch den Entfall einer konventionellen Lackierung mit der kathodischen Tauchbadlackierung werden noch einmal zehn kg pro Fahrzeug an Gewicht eingespart. An der Kunststoff-Außenhaut des BMW i3 arbeiten in Leipzig rund 300 Mitarbeiter.

Drive-Modul: Strukturträger und Elektrik kommen aus Bayern
Der im BMW Werk Dingolfing gefertigte Strukturträger des Drive-Moduls für den BMW i3 besteht aus KTL-beschichtetem Aluminiumträgern und Aluminium-Gussteilen. Die Rahmenkonstruktion bietet eine ideale Einhausung für die Batterie und ermöglicht eine optimale Gewichtsverteilung mit einem sehr niedrigen Schwerpunkt im Fahrzeug – mit entsprechenden Vorteilen für die Fahrdynamik. Der verwendete Werkstoff Aluminium vereint Leichtbau mit guten Crash-Eigenschaften und trägt so zum Gesamtsicherheitskonzept der BMW i Modelle bei.

Mit dem Hochvoltspeicher kommt ein weiteres zentrales Element der neuen BMW i Modelle aus Dingolfing. Am Anfang des Produktionsprozesses steht ein Begin-of-line-Test, in dem die zugelieferten Lithium-Ionen-Zellen zunächst auf ihre Leistungsfähigkeit hin geprüft werden. Danach erfolgt die sogenannte Plasmareinigung der Batteriezellen. Im Anschluss werden die einzelnen Zellen vollautomatisch miteinander zu Modulen verpresst, verklebt und verschweißt. Über 20 Roboter sind hierfür im Einsatz.

Umfangreiches BMW-Know-how steckt in der spezifischen Paketierung und Zusammenstellung des Speichers. 400 Montageschritte sind nötig, ihn zu fertigen. Das Speichergehäuse schützt die Lithium-Ionen-Zellen und trägt zur Steifigkeit des Fahrzeugs bei. Nach der Paketierung der Zellen zu Modulen beginnt die Montage. Die Module werden nacheinander in eine Speicherwanne aus Aluminium gehoben und dann manuell – durch das Stecken eines Kommunikationskabelbaums – miteinander in Reihe verschaltet. Am Ende werden Speicherdeckel und -boden montiert und die fertigen Speicher einem End-of-Line Leistungstest unterzogen. Der Speicher ist so konstruiert, dass einzelne Batteriemodule zur Reparatur einfach ausgetauscht werden können.

Der Antrieb ist seit jeher ein wesentliches Differenzierungsmerkmale für Modelle der Marke BMW. Auch der 125 kW/170 PS starke Elektromotor sowie die Antriebselektronik des BMW i3 wurden daher von der BMW Group entwickelt. Gefertigt wird die E-Maschine im BMW Werk Landshut.


Montage in Leipzig
Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit selbsttragender Karosserie besteht die Life-Drive Architektur grundsätzlich aus zwei horizontal getrennten, voneinander unabhängigen funktionalen Einheiten. In der Montagehalle in Leipzig kommt daher erstmals in der BMW Geschichte ein Zwei-Liniensystem zum Einsatz, das heißt, auf jeweils einer separaten Linie wird das Life-Modul und auf einer anderen das Drive-Modul montiert. Damit waren wesentliche Fortschritte in der ergonomischen Gestaltung der Arbeitsplätze möglich, mit einer optimalen Zugänglichkeit für alle Montageumfänge.

In das Chassis aus Aluminium wird bei der Montage des Drive-Moduls in Leipzig die Batterie eingebaut und die Motor-Getriebe-Einheit aufgesetzt. Zunächst wird der 230 Kilogramm schwere Hochvoltspeicher in die Bodengruppe integriert und an die Drive-Struktur angeschraubt. Die Motor-Getriebe-Einheit aus Landshut wird ebenfalls mit der Modulstruktur verschraubt. Optional ist auch ein Range Extender (Zweizylinder-Ottomotor) erhältlich, der unmittelbar neben dem Elektromotor positioniert wird. Nach der Montage des schon in Dingolfing vormontierten Vorderachsträgers und weiterer Strukturteile ist das Drive-Modul des BMW i3 bereit für die Endmontage.
Vom Karosseriebau gelangt die CFK-Fahrgastzelle in die Montagehalle. Sie erhält dort auf dem sogenannten Life-Band die kundenspezifische Ausstattung. Im Anschluss daran erfolgt die „Hochzeit“ mit dem Aluminium-Drive-Modul. Die CFK-Fahrgastzelle und das Aluminium-Chassis werden dabei miteinander verklebt. Zusätzlich gibt es vier Verschraubungspunkte. Das gewährleistet optimale Steifigkeit und Stabilität.

Zwei Roboter bringen den Klebstoff auf das Drive-Modul auf. Anschließend wird es der Fügestation zugeführt, angehoben und zentriert. Ein Greifroboter setzt anschließend das Life- auf dem Drive-Modul ab. Der Fügeprozess startet durch das Eigengewicht der Karosse. Erst danach erhält der BMW i3 sein finales äußeres Kunststoffkleid.

Die Durchlaufzeit in Karosseriebau und Montage beträgt mit 20 Stunden nur die Hälfte der in der konventionellen Produktion benötigten Zeit, da Arbeitsschritte parallel stattfinden und weniger Karosseriebauteile in der CFK-Struktur verbaut werden. Gemeinsam mit den anderen in Leipzig gefertigten BMW Fahrzeugen durchläuft der BMW i3 anschließend den Finish-Bereich mit umfassenden Qualitätskontrollen. So wird sichergestellt, dass auch das erste rein elektrische Serienfahrzeug der BMW Group den gewohnt hohen Qualitätsstandards des Unternehmens entspricht. Gleichzeitig können so wertvolle Synergien genutzt werden.

Die Gesamtinvestitionen in Leipzig belaufen sich auf 400 Millionen Euro, für die BMW i Fertigung entstanden am Standort rund 800 neue Arbeitsplätze.