Steigende Leichtbauanforderungen führten in den vergangenen Jahren zu einer verstärkten Weiterentwicklung neuer Leichtbauwerkstoffe und besonders leistungsfähiger Verfahrenstechnik für die Umsetzung leichter Automobilkomponenten in Großserie. Im Fahrzeuginterieur konnten sich naturfaserverstärkte Kunststoffe erfolgreich etablieren, die in Form flächiger Wirrfaserhalbzeuge zu formgepressten Verkleidungselementen verarbeitet werden. Für die Auslegung derartiger Verkleidungsbauteile ist eine monolithische Leichtbauweise charakteristisch, bei der zur Gewährleistung erforderlicher mechanischer Eigenschaften die minimalen Halbzeugflächenmassen bauteilabhängig im Bereich 1200–1400 g/m2 liegen. Zur Erschließung weiterer Leichtbaupotenziale stellt die Anwendung der Sandwichverbundbauweise eine aussichtsreiche Leichtbaustrategie dar, die aufgrund des Fehlens anforderungsgerechter Materialkonzepte bisher kaum Berücksichtigung fand. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines ganzheitlichen Leichtbaukonzepts in neuartiger Sandwichbauweise, welches die Anforderungen hinsichtlich der Formgebung und Bauteilstabilität erfüllt und eine signifikante Reduktion der Flächenmasse unter 1000 g/m2 gestattet. Die verfahrenstechnische Grundlage bildet eine neuartige durchgängige Prozesskette, wobei leichte Naturfaser-Polypropylen-Hybridvliesstoffe in Kombination mit einer Kunststoffschaumfolie in einem kontinuierlichen Prozess zu einem Sandwichhalbzeug und anschließend in automatisiertem Formpressverfahren zu einem komplex geformten Bauteil verarbeitet werden. Durch eine umfangreiche Charakterisierung der einzelnen Prozessschritte entlang der gesamten Prozesskette werden in zugehörigen Sensitivitätsanalysen optimale Fertigungsparameter ermittelt und bei der Herstellung eines Technologiedemonstrators validiert. Darüber hinaus wird am Beispiel dieses Technologiedemonstrators erstmalig ein integrativer Simulationsansatz erarbeitet, der umformbedingte lokale Änderungen der Flächenmasse und der resultierenden Werkstoffkennwerte bei der numerischen Steifigkeits- und Festigkeitsanalyse berücksichtigt. Abschließend erfolgt im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung die Beurteilung potenzieller Umweltwirkungen der entwickelten Sandwichverbundtechnologie sowie die Untersuchung einer verfahrenstechnischen Lösung zur stofflichen Wiederverwertung von Produktionsreststoffen und Altbauteilen.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung / Rising lightweight requirements have led in recent years to an intensified development of new lightweight materials and high-performance processing technologies for the implementation of lightweight automotive components in a large scale production. For trim parts in the automotive interior, natural fiber-reinforced plastics in the form of nonwovens, are successfully established. To fullfill the mechanical requirements, the most common design of such parts is monolithical with an component specific area weight of the semi-finished products between 1200–1400 g/m2. A promising strategy for generating further lightweight potentials are sandwich constructions, which are currently rarely used in the automotive interior, due to the lack of suitable material concepts. The aim of this work is the development of a new sandwich-based lightweight concept, that fullfills the requirements in terms of formability and component stability, by permitting a weight reduction of the semi-finished product below 1000 g/m 2 at the same time. The part production is based on a novel process chain, where light NF-PP hybrid nonwovens are continuously processed with a polymeric foam foil to a semi-finished product, that is formed afterwards to complex parts in a compression molding process. The optimal processing parameters along the entire process chain are determined by sensitivity analyses, and validated by a technology demonstrator. In addition, the technology demonstrator will be used for the development of a novel simulation approach, where local changes of the area weight in the forming process and the resulting material properties are taken into account for a numerical analysis of stiffness and strength. Finally the potential environmental impact of the new sandwich-based lightweight technology and a possible method for material recycling are investigated.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung

Die bisherigen Untersuchungen zum Thema Nachhaltigkeit und Energieeffizienz konzentrierten sich nicht auf die speziellen Anforderungen einer Fahrzeugmontage. Bei der Neuplanung einer Fahrzeugmontage spielte bisher die Energieeffizienz ei-ne untergeordnete Rolle. Mit der zunehmenden Bedeutung von Nachhaltigkeit und der Energieeffizienz in Politik und Öffentlichkeit wachsen auch diesbezüglich die Erwartungen an die Automobilindustrie. Aus diesem Grund wurden ganzheitliche Ansätze und Methoden entwickelt, um einen Neubau eines Fahrzeugwerkes, im Speziellen die Fahrzeugmontage, energieeffizient und nachhaltig zu gestalten. Die Nutzung von natürlichen Ressourcen stand hierbei im Vordergrund. Der Einsatz von fossilen Energien sollte hierbei weitestgehend vermieden werden. Beginnend mit der Standortauswahl über die Festlegung der Werksstruktur sowie der Fahr-zeugmontage- und Logistikstruktur wurden hier die wichtigsten Bereiche der Fab-rikplanung abgedeckt. Zusätzlich wurde noch die Gebäudekonstruktion unter den Prämissen der Energieeffizienz untersucht.:Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis VII Abkürzungsverzeichnis VIII Definitionen XI Vorwort XIII 1 Einleitung 1 1.1 Endliche Ressourcen und Energieeffizienz 4 1.2 Aufbau der Arbeit 7 1.3 Politischer und gesellschaftlicher Stellenwert der Energieeffizienz 10 1.4 Stand der Wissenschaft 15 1.5 Abgrenzung des Betrachtungsrahmens 18 2 Grundlagen 22 2.1 9+1 Verschwendungsarten im industriellen Sektor 22 2.2 Energieverbrauchsstruktur der Fahrzeugmontage 26 2.3 Fabrikplanung 30 2.3.1 Aufgaben und Ziele der Fabrikplanung 31 2.3.2 Der Fabriklebenszyklus 32 2.3.3 Planungsphasen 34 2.4 Allgemeine Struktur eines Automobilwerkes 36 2.4.1 Technologie Presswerk 37 2.4.2 Technologie Karosseriebau 38 2.4.3 Technologie Lackiererei 39 2.4.4 Technologie Montage 40 2.4.5 Montage-Logistik 42 2.5 Gesetze und Normen 46 2.5.1 Das Energieeinsparungsgesetz (EnEG) 47 2.5.2 EU-Richtlinie und Energieeinsparverordnung (EnEV) 48 2.5.3 Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) 50 2.5.4 Stromsteuergesetz (StromStG) 53 2.5.5 DIN ISO 50001 - Energiemanagementsysteme 55 2.6 EMAS – Eco-Management and Audit Scheme 57 2.7 Gebäudestandards zur Nachhaltigkeit 58 3 Planungsprämissen Werksneubau 62 3.1 Standortauswahl 62 3.1.1 Drei-Phasen-Auswahlprozess 63 3.1.2 Die Standortfaktoren 66 3.1.3 Die Trinkwasserverfügbarkeit 67 3.1.4 Die Umweltrahmenbedingungen 70 3.1.5 Der Klimaeinfluss 75 3.2 Werksstruktur / Gebäudestruktur 85 3.2.1 Werksstrukturlayout 85 3.2.2 Montagestrukturlayout 98 3.2.3 Logistikstrukturlayout (Montage) 108 3.3 Gebäudekonstruktion 115 3.3.1 Materialien 117 3.3.2 Dachformen und Belichtung 121 4 Energiemanagement und Verbrauchsmonitoring 130 4.1 Versorgungskonzepte 130 4.2 Energiebeschaffung und Preiszusammensetzung 131 4.3 Effiziente und nachhaltige Energienutzung 138 5 Wichtigste Ergebnisse und Empfehlungen 143 5.1 Die wichtigsten Ergebnisse 143 5.2 Empfehlungen 145 6 Quellenverzeichnis 148 6.1 Literaturverzeichnis 148 6.2 Verzeichnis der Internetquellen 151 6.3 Verzeichnis der Gesetze und Normen 156 6.4 Verzeichnis der Diplom- und Masterarbeiten 158 6.5 Gesprächsverzeichnis 159 Eidesstattliche Erklärung 174

Für die Verarbeitung von thermoplastischen Polymeren im Spritzgießprozess ist die Wahl der Werkzeugwandtemperatur entscheidend für die Formteileigenschaften und die optimale Zykluszeit. Das Spritzgießwerkzeug wird standardmäßig bei einer konstanten Werkzeugwandtemperatur betrieben, die bei speziellen Anwendungen, wie zum Beispiel die Abformung von nanostrukturierten Oberflächen, kaum eingesetzt werden kann. Dafür muss die Werkzeugwandtemperatur aktiv über die Dauer eines Spritzgießzyklus variiert werden. Für die variotherme Temperierung wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine neue Technik auf Basis einer elektrischen Widerstandsheizung entwickelt und untersucht. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines hochdynamischen Temperaturwechsels auf einer formgebenden Werkzeugwand, unter Vorgabe der Temperaturverteilung und ohne die Maschinennebenzeit zu verlängern. Dazu werden verschiedene elektrische Heizelemente konzipiert und untersucht. / For the processing of thermoplastic polymers in an injection molding process is the choice of the cavity temperature a critical property and a shape of the optimum cycle time. The standard injection molding process with a quasi constant mold wall temperature cannot be used in the case of special applications, such as the replication of nanostructured surfaces. For this the mold wall temperature has to be varied actively over the duration of an injection molding cycle. These variothermal temperature process is within the scope of the present study especially using a new developed technique based on an electrical resistance heating device. The aim of this work is to develop a highly dynamic temperature change on an injection mold wall by a defined temperature destribution and without an extended machine idle time. Various electric heating elements are designed and tested.

Für die Verarbeitung von thermoplastischen Polymeren im Spritzgießprozess ist die Wahl der Werkzeugwandtemperatur entscheidend für die Formteileigenschaften und die optimale Zykluszeit. Das Spritzgießwerkzeug wird standardmäßig bei einer konstanten Werkzeugwandtemperatur betrieben, die bei speziellen Anwendungen, wie zum Beispiel die Abformung von nanostrukturierten Oberflächen, kaum eingesetzt werden kann. Dafür muss die Werkzeugwandtemperatur aktiv über die Dauer eines Spritzgießzyklus variiert werden. Für die variotherme Temperierung wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine neue Technik auf Basis einer elektrischen Widerstandsheizung entwickelt und untersucht. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines hochdynamischen Temperaturwechsels auf einer formgebenden Werkzeugwand, unter Vorgabe der Temperaturverteilung und ohne die Maschinennebenzeit zu verlängern. Dazu werden verschiedene elektrische Heizelemente konzipiert und untersucht. / For the processing of thermoplastic polymers in an injection molding process is the choice of the cavity temperature a critical property and a shape of the optimum cycle time. The standard injection molding process with a quasi constant mold wall temperature cannot be used in the case of special applications, such as the replication of nanostructured surfaces. For this the mold wall temperature has to be varied actively over the duration of an injection molding cycle. These variothermal temperature process is within the scope of the present study especially using a new developed technique based on an electrical resistance heating device. The aim of this work is to develop a highly dynamic temperature change on an injection mold wall by a defined temperature destribution and without an extended machine idle time. Various electric heating elements are designed and tested.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Spritzgießwerkzeug mit einem neuartigen Mehrschichtverbundheizsystem zur dynamischen Temperierung entwickelt und umgesetzt. Dabei wurde das ausgewählte Heiz‐ und Kühlsystem unter theoretischen und praktischen Gesichtspunkten betrachtet und für den variothermen Fertigungsprozess verifiziert. Aus den ersten durchgeführten praktischen Versuchen zeigte sich, dass dieses Heizsystem zur dynamischen Temperierung von Formwerkzeugen geeignet ist. Anschließend wurden mit dem realisierten Spritzgießwerkzeug Versuchskörper mit spezieller Oberflächenstrukturierung und variierenden Werkzeugwandtemperaturen angefertigt und untersucht. Ziel war es, über diese Strukturierung eine Beeinflussung der Glasfaserverteilung im Formteilrandbereich zu erreichen und die tribologischen Eigenschaften bei Kunststoff‐Kunststoff‐Gleitpaarungen hinsichtlich Reibung und Verschleiß zu verbessern. Mit einer kleinen Auswahl an Strukturen und entsprechenden thermoplastischen Polymermaterialien wurden praktische Versuche zur tribologischen Prüfung durchgeführt. / In the present work an injection mould was developed and implemented with a novel multilayer composite heating system for dynamic temperature control. Here the selected heating and cooling system was considered from a theoretical and practical point of view and verified for the variothermal manufacturing process. The first practical tests showed that this heating system is suitable for the dynamic temperature control of tools. Subsequently, with this injection mould, test specimens with a special surface structure and varying mould wall temperatures were produced and examined. The aim was to achieve through this structuring an impact on the distribution of glass fibres in the edge region of mouldings and improve the tribological properties of plastic‐plastic‐pairings in terms of friction and wear. With a small selection of structures and corresponding thermoplastic polymeric materials practical experiments for tribological testing were performed.