Blick auf das Drive-Modul des BMW i3: Gut zu erkennen sind der E-Motor auf der Hinterachse und die Batterien im Unterboden (Fotos: BMW)

Die schrittweise Weiterentwicklung von Produkten gehört zum FuE-Alltag. Das Ergebnis sind graduelle Verbesserungen. Im Zuge radikaler (synonym: revolutionärer, prinzipieller) Innovationsprojekte setzen Unternehmen dagegen auf völlig neue Technologien. Mit dem Elektrofahrzeug i3 hat BMW eine radikale technologische Innovation auf den Weg gebracht.

Radical innovation establishes a new dominant design and, hence, a new set of core design concepts embodied in components that are linked together in a new architecture”, beschrieben 1990 Henderson und Clark (S. 11) technische Veränderungen mit einem besonders hohen Neuheitsgrad.

Mein Übersetzungsvorschlag (ohne Gewähr): Radikale Innovationen begründen die Dominanz einer neuen Systemtechnologie. Neu ist dabei einerseits ein Set maßgeblicher Technologien auf der Komponentenebene, aber auch die Architektur (gewissermaßen das “Schaltbild”) des neuen Systems.

Ein wichtiger, aber schwer direkt übersetzbarer Begriff ist in diesem Zusammenhang “dominant design“.

A dominant design is characterized both by a set of core design concepts that correspond to the major functions performed by the product and that are embodied in components and by a product architecture that defines the ways in which these components are integrated. … A dominant design incorporates a range of basic choices about the design that are not revisited in every subsequent design. Once the dominant automobile design had been accepted, engineers did not reevaluate the decision to use a gasoline engine each time they developed a new design. Once any dominant design is established, the initial set of components is refined and elaborated, and progress takes the shape of improvements in the components within the framework of a stable architecture.”
Henderson/Clark 1990, S. 14.

1. Heutiges dominantes Design bei Automobilen

Bei Autos wird das dominante Design stark durch die Antriebstechnologie geprägt. Der Verbrennungsmotor kristallisierte sich nach dem Jahr 1900 als dominant gegenüber Elektro- und Gasantrieb heraus. Von den 4.192 im Jahr 1900 in den USA registrierten Motorfahrzeugen waren noch 1.681 dampf- und 1.575 elektrisch angetrieben. Benzin-Verbrennungsmotoren waren nur in 936 Automobilen eingebaut (22 Prozent). Spätestens mit dem legendären Model T, das Ford ab 1908 anbot und das mit einem 4-Zylinder-Benzinmotor ausgestattet war, waren Dampf und Strom aber aus dem Rennen – und Albert A. Pope (1843-1909) war widerlegt. “You can’t get people to sit over an explosion”, lautete die Fehlprognose des Produzenten von Elektroautos.[→1]

Die Motoren, gleich ob vom Typ Otto oder Diesel, sind in heutigen Autos nicht nur eine Komponente. Die bauliche Struktur (“Package”) des ganzen Systems Auto ist passend zur herrschenden Antriebstechnik gestaltet. Ein kleines Beispiel: Die Frontpartie heutiger Pkw wird vom Kühlergrill beherrscht. Bei alternativen Antrieben könnte das “Gesicht” des Fahrzeugs deutlich anders aussehen. Das Auto von heute hat eine verbrennungsmotor-geprägte Systemarchitektur.

Weiß-blaues Versuchsmaschinchen
Die Postings der BMW i3-Serie auf einen Blick
Prolog (Teil 1 der Serie) BMWs i3 als Netzwerkinnovation (Teil 4)
BMWs i3 als radikale Innovation (Teil 2) BMW i als Markeninnovation (Teil 5)
BMWs i3 als disruptive Innovation (Teil 3) Projektorganisation für BMWs i-Innovationen (Teil 6)

Neben dem Verbrennungsmotor ist bei Autos der Werkstoff Stahl ein wesentlicher Bestandteil des derzeitigen dominanten Designs. Stahlwerkstoffe haben heute einen Anteil von rund 60 Prozent am gesamten Fahrzeuggewicht. Die typische Autokarosserie besteht aus zusammengeschweißten Stahlblechen und wiegt mehrere Hundert Kilogramm. Z. B. bringt es die Karosserie eines VW Polos einschließlich Türen auf rund 300 kg. Apropos Karosserie: Anfangs war der Rahmen mit den Antriebskomponenten das tragende Element für eine aufgesetzte Karosserie. Heute sind Rahmen und Aufsatz zu einer festen Einheit verschmolzen. Standard ist die sogenannte selbstragende Stahlkarosserie.

2. BMWs i3 als weitreichender Neuentwurf

Das verbrennungsmotor-geprägte Auto ist seit rund einem Jahrhundert der Industriestandard. Der neue BMW i3 ist anders. Bei seiner Vorstellung Ende Juli hauten die BMW-Vorstände verbal ordentlich auf den Putz. Auch Vorstandschef Nobert Reithofer ließ sich nicht lumpen.

“The car industry has waited well over a century for its own revolution. Today the wait is over. What the mobile phone did for communication, electric mobility will do for individual mobility. The BMW i3 is more than an evolutionary step — it is a great leap forward. … The BMW i3 is purpose-built around an electric powertrain to serve the needs of our megacity customers.”

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Ob die Autoindustrie und die Autokäufer den i3 wirklich so sehnsüchtig erwarten, werden in ein paar Monaten die Verkaufszahlen zeigen. Jedenfalls stimmt Reithofers Behauptung, das neue Auto sei nicht nur ein evolutionärer bzw. gradueller Schritt. Verglichen mit einem konventionellen Pkw, hat der i3 einen sehr hohen Neuheitsgrad. Einen höheren übrigens als der Elektroroadster von Tesla (siehe Bild 3 unten), der seit seinem Erscheinen 2008 die Herzen in der elektromobilen Fangemeinde wärmt. Für die Entwicklung des Tesla Roadsters war der Lotus Elise die Basis, ein Sportwagen mit Benzinmotorantrieb. Der Elektroflitzer kam sozusagen durch “Konvertierung” eines Modells mit Verbrennungsmotor zustande. Man spricht auch von Conversion Design. Bisher ist auch BMW nach diesem Ansatz vorgegangen. Den auf Elektroantrieb umgerüsteten Mini (Mini E) bezeichnete BMW-Chef Reithofer bei der i3-Präsentation selbst als “retro-fitted” (to refit, engl. = nachrüsten).

1. Motorkutsche von Maybach und Daimler 2. Motorwagen von Benz 3. Tesla Roadster 4. GMs Skateboard-Konzept für Brenstoffzellen-Elektroautos (Fotos: Daimler, 2; Tesla, GM)
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Die Tesla-Manager wollen von “converted” und “refitted” natürlich nichts hören und betonen, dass ihr Roadster nur zu 7 Prozent aus baugleichen Teilen wie der Lotus Elise besteht.

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Dennoch, Elektroautos wie der Tesla Roadster und der Mini E entsprechen in puncto Innovationsgrad dem Typ “Motorkutsche”. Das historische Vorbild war 1886 das erste 4-rädrige Automobil der Welt und wurde von Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach entwickelt (Bild 1 oben zeigt einen Nachbau). Konstruktionsprinzip: Kutsche mit Motor statt Pferd. So betrachtet war die Motorkutsche nur eine modulare Innovation (völlig andersartige Technologie auf der Komponentenebene, aber nur Anpassungen auf der Systemebene).

Der BMW i3 ist dagegen artverwandt mit dem Patent-Motorwagen von Carl Benz (Bild 2). Im Januar 1886 wurde das motorisierte Dreirad zum Patent angemeldet. Carl Benz konzipierte seinen Motorwagen nicht als umgebaute Pferdekutsche, sondern als ein neues System. “Das Geniale an ihm war, dass er das Auto als erster als Einheit gedacht hat und alle Komponenten auf die Erfordernisse des neuen Gefährts zugeschnitten hat”, würdigt der Historiker Kurt Möser die Leistung des Pioniers Benz (zitiert nach diesem Artikel auf focus.de).

Der brandneue i3 und der 127 Jahre alte Motorwagen folgen beide dem Prinzip des Purpose Designs (Reithofer: “The BMW i3 is purpose-built around an electric powertrain …”). Andere Komponenten werden dabei von vornherein mit Blick auf das neue Antriebskonzept ausgelegt. Das Auto erhält eine neue Systemarchitektur. Die i3-Konstrukteure haben den Gestaltungsfreiraum eines ganzheitlichen Neuentwurfs genutzt. Die schweren Batterien sind – wie es sich allgemein für E-Autos anbietet – im Fahrzeugboden platziert. Dort findet man die Energiespeicher übrigens auch in der neuen Tesla S-Limousine, die, anders als der Tesla Roadster, von vornherein als E-Fahrzeug konzipiert wurde.

Die Batterien im Unterboden sind beim BMW i3 Teil einer veränderten Architektur. Damit jeder merkt, wie neuartig diese ist, hat man sich im BMW-Marketing auch neue Begriffe einfallen lassen. Das Drive-Modul mit den Antriebselementen unten und das Life-Modul mit der Fahrgastzelle oben bilden die beiden Subsysteme der LifeDrive-Architektur.

Einzelne Autoexperten hat das innovative i3-Design an das Skateboard-Konzept von General Motors erinnert (siehe Bild 4 oben). Vier Radnabenmotoren werden von einer Brennstoffzelle mit Strom versorgt. Anders als bei den heutigen Automodellen gibt’s in einem Skateboard-Auto keine selbstragende, mit dem Fahrwerk fest verbundene Karosserie. Eine “Universal Docking Connection” und vier Halterungen bilden die Schnittstellen zwischen Antrieb unten und Fahrgastzelle oben. Von GMs Skateboard wurde 2004 zwar ein Prototyp gebaut. Weiter kam dieser futuristische Ansatz dann aber nicht. Ein ähnliches Konzept für einen konsequent modularen Aufbau hat die Firma Trexa vorgestellt, ist aber noch nicht über das Prototypenstadium hinausgekommen.

Die LifeDrive-Architektur des BMW i3 erinnert an das “Skateboard” von General Motors. 2002 wurde das Konzept präsentiert, 2004 ein Prototyp gebaut.

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Neben dem batterieelektrischen Antrieb und der modularen LifeDrive-Architektur ist beim i3 der Einsatz von CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff, kurz Carbon) bemerkenswert. Aus dem leichten und gleichzeitig hochfesten Werkstoff – nicht aus Stahl oder Aluminium – wird die Karosserie des i3-Life-Moduls hergestellt. Die Gewichtsersparnis soll sicherstellen, dass ein i3 trotz der schweren Batterien nicht mehr wiegt als ein vergleichbares konventionelles Automodell.

Längst nicht alle neuen Produkte, die von Verkaufsmanagern als revolutionär bejubelt werden, haben dieses Etikett verdient. Der i3 hat wirklich einen sehr hohen Neuheitsgrad. Haben die BMW-Entwickler und -Entwicklerinnen das Auto neu erfunden? Auf jeden Fall haben sie es gehörig umgekrempelt.

3. CFK-Karosserie als radikale Innovation

Radikale Innovationen sind für etablierte marktführende Unternehmen wie BMW eine enorme Herausforderung. Neue Technologien erfordern andersartige Kompetenzen. Und je größer die Unterschiede zwischen alter und neuer Technologie ist, desto mehr wird das bestehende Know-how durch den Wechsel “zerstört” bzw. entwertet.

A competence-destroying product discontinuity either creates a new product class (e.g., xerography or automobiles) or substitutes for an existing product (e.g., diesel vs, steam locomotive; transistors vs, vacuum tubes). … Competence-destroying discontinuities are so fundamentally different from previously dominant technologies that the skills and knowledge base required to operate the core technology shift.”
Tushman/Anderson 1986, S. 442.

Derart “kompetenzzerstörend” wirkt beim i3-Projekt nicht nur der Wechsel zum elektrischen Antrieb, sondern auch die Werkstoffinnovation, für die Fahrgastzelle auf CFK zu setzen. Bisher galt die Produktion großflächiger CFK-Teile für’s Auto als zu teuer und nicht flexibel genug. Nach mehr als zehnjähriger Forschungsarbeit und Optimierung der Materialien, Prozesse und Werkzeuge habe man bei BMW nun das Know-how für eine CFK-Großserienproduktion beisammen. Das ist in der Pressemappe zu lesen, die BMW zu den Innovationstagen 2013 veröffentlichte. Im BMW-Werk Leipzig, wo der i3 endmontiert wird, war im April 2013 auch die ATZ-Redakteurin Katrin Prudenz. Ihre Zusammenfassung “Automobilbau mit CFK” ist online verfügbar und beschreibt gut verständlich die Produktionsschritte von der Faser zur Karosserie.

In einem Gemeinschaftswerk von BMW und SGL Carbon im US-amerikanischen Moses Lake werden die Carbonfasern hergestellt. Die Fasern bestehen aus nahezu reinem Kohlenstoff und sind nur sieben Mikrometer dünn. Für die weitere Verwendung werden circa 50.000 dieser Fasern zusammengefasst und aufgewickelt. Die Faserbündel werden in Wackersdorf, dem zweiten Werk des BMW-SGL-Joint Ventures zu textilen Gelegen weiterverarbeitet. Die Kohlefasergelege werden zugeschnitten und erhalten im sogenannten Preform-Prozess ihre Form. Mehrere dieser Preform-Rohlinge können dann zu einem größeren Bauteil zusammengefügt werden. Der nächste Prozessschritt: das Harzen unter Hochdruck nach dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding). Dabei wird den Preform-Rohlingen unter hohem Druck flüssiges Harz injiziert. Nach wohldefinierten Zeit-, Druck- und Temperaturparametern verbinden sich Harz und Fasergelege und härten aus. Gepresst werden CFK-Teile sowohl im Presswerk Landshut als auch in Leipzig. Dort wird dann vollautomatisch aus ca. 150 Teilen die Grundform des i3-Life-Moduls zusammengeklebt. Pro i3 wird auf den CFK-Teilen eine Klebestrecke von 160 Meter Länge und 20 Millimeter Breite aufgetragen.

Von links nach rechts: Carbonfasern – CFK-Gelege – Teil der CFK-Karosserie des i3-Life-Moduls (Fotos: BMW 2x, Max Kirchbauer), Foto zum Vergrößern anklicken.

Wer sich diese Prozesse von der Faserproduktion bis zum RTM-Pressen ganz genau anschauen möchte, findet auf den Seiten der BMW-Presseabteilung ca. 30 Minuten Videomaterial (noch ohne CFK-Klebe- und i3-Montage-Prozesse).

In einigen Branchen sind CFK-Teile bereits verbreitet. Rotorblätter von großen Windkraftanlagen werden aus CFK gefertigt. Auch Sportgeräte wie Paddel und Tennisschläger gibt’s aus leichtem Carbonfasermaterial. Sowohl in Boeings Dreamliner (B 787) als auch im Airbus A 350 bestehen Rumpf und Flügel (Airframe) zur Hälfte aus CFK-Teilen (→ Posting “Mit breitem Rumpf auf die Überholspur”). Beim “Seven-Late-Seven” soll der massive Einsatz von Carbonfasern zu den vielfachen Terminverschiebungen beigetragen haben. Die Boeing-Ingenieure hätten die Komplexität des neuen Werkstoffs unterschätzt, schrieb das Handelsblatt 2011. “Schon kleinste Ungenauigkeiten oder Lufteinschlüsse machen ein [CFK-]Teil wertlos. Die Ausschussquoten sind hoch – die Rede ist von 30 Prozent und mehr. Und im Gegensatz zu Aluminium oder Stahl lassen sich Teile aus Kohlenfasern nicht nachbearbeiten.”

“Die Autoindustrie kann dabei wenig von den Luftfahrtunternehmen lernen, denn die verhält sich konservativ und verändert zugelassene Werkstoffe und Prozesse eher selten”, zitiert das Handelsblatt außerdem einen CFK-Fachmann. Die BMW-Mitarbeiter mussten im Zuge des i-Projektes enorm viel über die Verarbeitung der Kohlefasergelege lernen, um als erster Autobauer eine CFK-Karosserie in Großserie herstellen zu können. An dieser Stelle wird die ursprüngliche Bedeutung des Begriffs radikal deutlich, der vom lateinischen Wort für Wurzel abstammt (radix).

radikal = von Grund aus erfolgend, ganz und gar;
vollständig, gründlich

Für die bei radikalen Innovationen erforderlichen grundlegenden Lernprozesse gibt es in der Regel keine, bestenfalls ein paar wenige Abkürzungen. Die eigene CFK-Historie beginnt laut BMW mit dem Z22-Prototyp von 1999, dessen Seitenrahmen aus CFK bestanden. 14 Jahre später startet bei BMW die i3-Serienproduktion. Gewiss mit hohen Stückkosten für die CFK-Komponenten. “Ein Karosserieteil aus Stahlblech kostet etwa vier Euro pro Kilogramm, ein baugleiches Teil in CFK mit rund 200 Euro das 50-Fache. Rund 50 Euro davon entfallen auf das Material, Fasern und Harz”, wurde vor 2½ Jahren im bereits zitierten Handelsblatt-Artikel gemutmaßt.

Ein Carbon Fiber vs. Steel-Kostenvergleich findet sich auch auf den Seiten des Rocky Mountain Institute (RMI). Dessen Chief Scientist Amory Lovins ist seit Jahrzehnten ein großer CFK-Fan. “Automotive manufacturing costs can be cut by 80% with carbon fiber-based autos vs. steel-based ones due to greatly reduced tooling and simpler assembly and joining”, heißt es beim RMI. 80 Prozent niedrigere Herstellkosten durch CFK – Da würden sich die BMW-Manager aber freuen! Sie sollten den RMI-Text aber ganz lesen. Leider, leider werden die langfristigen Ratiopotenziale nämlich von recht hohen Preisen für die Fasern “überschattet”. Außerdem kalkuliert das RMI mit 250.000 jährlich mit CFK-Karosse produzierten Autos. Für den BMW i3 sind zunächst nur ein paar Zehntausend Exemplare pro Jahr zu erwarten.

RMI-Forscher Greg Rucks schätzt laut New York Times, dass eine Karosserie aus CFK gegenüber einer aus Stahl 1.200 US-Dollar Mehrkosten verursacht. Die CFK-Rallye startet also gerade erst. Für BMW und den Innovationspartner SGL Carbon geht es in den kommenden Jahren darum, die Kosten je CFK-Karosserie noch deutlich zu reduzieren. Wenn die Nachfrage anspringt und der i3 in steigenden Stückzahlen produziert wird, stehen die Chancen für spürbare Kostenfortschritte gut. Das an anderer Stelle diskutierte Erfahrungskurven-Konzept besagt, dass mit jeder Verdopplung der kumulierten Produktionsmenge die Stückkosten eines (neuen) Produktes potenziell um 20 bis 30 Prozent zurückgehen (→ Posting “Jenseits der Plattform-Strategie”). Die Rate, mit der die Stückkosten sinken, ist umso höher, je neuartiger das untersuchte Produkt ist. Minus 30 Prozent sind bei BMWs CFK-Bauteilen durchaus realistisch.

E-Antrieb, LifeDrive-Architektur, CFK – Der i3 ist ein hochinnovatives Produkt. Das Modell könnte zum Vorreiter eines neuen dominanten Designs werden. Radikale Technologiewechsel vollziehen sich aber nicht über Nacht, sondern in Etappen. Technisch-funktionale Nachteile (Stichwort Reichweite) müssen überwunden, Stückkosten auf ein konkurrenzfähiges Niveau reduziert werden.

Auf dem Entwicklungspfad der ganzheitlich neugestalteten (“purpuse-built”) Elektroautos ist der i3 ein Pionierprodukt. Für Technikbegeisterte ist das ein Wert an sich. Aber wer soll das 34.950 Euro teure Versuchsmaschinchen eigentlich kaufen? Um diese Frage geht’s im nächsten Posting der → BMW i3-Serie.

Anmerkung(en):
[1] Die Zulassungszahlen für 1900 und das Pope-Zitat sind unter anderem bei Knie 1994, S. 33 f. zu finden. Eine kompakte Darstellung der maßgeblichen frühen Schritte zum dominanten Design beim Auto liefert Abernathy 1978, S. 10 ff.[↑]

Literatur:
Abernathy, W. J.: The Productivity Dilemma. Roadblock to Innovation in the Automobile Industry, Baltimore/London 1978, erläutert im Kapitel “Technological Change in the U.S. Automobile Industry: A Historical Overview” (S. 10-49) die Entstehung des dominanten Designs in der Autoindustrie.
Henderson, R. M.; Clark, K. B.: Architectural Innovation: The Reconfiguration of Existing Product Technologies and the Failure of Established Firms, in: Administrative Science Quarterly 35 (1990) 1, S. 9-30, → hier vollständig online, enthält das bekannte 4-Kategorien-Innovationsmodell (incremental, modular, architectural, radical), siehe auch das Posting “20 Jahre Innovationsmodell von Henderson und Clark”.
Knie, A.: Wankel-Mut in der Autoindustrie. Aufstieg und Fall einer Antriebsalternative, Berlin 1994, enthält einen Abschnitt zur Entstehung der Dominanz des Verbrennungsmotors in der Autoindustrie (S. 33-44).
Tushman, M. L.; Anderson, P.: Technological Discontinuities and Organizational Environments, in: Administrative Science Quarterly, 31 (1986) 3, S. 439-465, → hier vollständig online, behandelt den unterschiedlichen Charakter von “competence-destroying” und “competence-enhancing” wirkenden Technologiewechseln.
Wettengl, S.: Initiierung technologischer Systeminnovationen. Wege zur Vermeidung von Abwarteblockaden in Innovationsnetzwerken, Göttingen 1999, → hier vollständig online lesbar (nicht ausdruckbar), erläutert in Abschnitt 2.1.3 (S. 25-33) den Neuheitsgrad von Systeminnovationen.

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