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Carbon-Leichtbau Potentiale im Umschwung der Automobilindustrie

by Rosenmaier Armin

Die hervorragenden Eigenschaften von Kohlenstofffaserverstärkten-Kunststoffen (Carbon) haben mittlerweile die Aufmerksamkeit vieler unterschiedlicher Branchen auf sich gezogen. Branchen wie die Luftfahrt oder der Rennsport sind Vorreiter und ersetzen schon vor Jahren vermehrt Komponenten aus bewährten Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminium oder Stahl, durch Bauteile aus Kohlenstofffaserverstärktem-Kunststoff, kurz CFK. Bereits in den frühen 80er Jahren brachte McLaren das erste Carbon-Chassis an einem Formel-1-Rennwagen zum Einsatz. Schnell war klar, dass CFK auch in dieser Disziplin die Nase vorne haben wird. Immer mehr Teams schlossen sich der Idee von McLaren an, weswegen es seit jeher kein Formel-1-Auto mehr gibt, welches kein Carbon-Chassis besitzt. Die Etablierung des Materials in den Serienfahrzeugbau beanspruchte jedoch etwas mehr Zeit. Vorerst führte die Reise über außerordentlich hochpreisige Supersportwagen. Für die Fertigung der Komponenten solcher Wagen war eine äußerst aufwendige Handarbeit vonnöten. Dementsprechend musste auch viel Geld in die Hand genommen werden, um sich die Exklusivität leisten zu können.

KarbonAbbildung 1: Carbon-Scheinwerfer

Über die Zeit hinweg erfolgte jedoch auch an immer mehreren Strukturbauteilen von Serienfahrzeugen der Materialumschwung. Zudem ergeben sich durch neue und innovative Antriebsarten neue Herausforderungen im Automobilbau, für welche Leichtbaulösungen aus Carbon, die besten Voraussetzungen mit sich bringen. Welche Potentiale durch den Einsatz von Carbon für die Automobilindustrie entstehen erfahren Sie in diesem Beitrag.


Inhaltsverzeichnis:

1. Was ist Carbon und wodurch zeichnet es sich aus?
2. Der wesentliche Unterschied zwischen Carbon und Metallen
3. Was spricht für den Einsatz von Carbon in der Automobilindustrie?
4. Carbon-Einsatz in der Serienproduktion
5. Fazit

Was ist Carbon und wodurch zeichnet es sich aus?

Verbundwerkstoffe ergeben sich aus der Kombination verschiedenartiger Materialien. Dabei sollen sich die positiven Eigenschaften der unterschiedlichen Komponenten zunutze gemacht werden. Im Falle von CFK werden Kohlenstofffasern mit Bettungsmassen aus unterschiedlichen Harzen verbunden. Die Kohlenstofffasern zeichnen sich hierbei durch eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aus. Weitere Vorzüge, welche das Material CFK mit sich bringt, sind seine hohe Schwingfestigkeit, die geringe Wärmeausdehnung, sowie seine Dauertemperaturbeständigkeit und Korrosionsfreiheit. Letztendlich muss aber gesagt werden, dass neben all dem Nutzen der herausragende Vorteil im ausgezeichneten Verhältnis von der Festigkeit zum Gewicht des Materials liegt! Dies macht den Werkstoff zum idealen Kandidaten für Leichtbaukomponenten, welche großen Belastungen stand halten müssen. Moderne Carbonfasertechnologien bieten beispielsweise das Potential das Gewicht von Strukturbauteilen in Fahrzeugen um bis zu 80% zu reduzieren. Allgemein gesehen, kann Carbon Faserverbund aufgrund der großen Menge an positiven Eigenschaften jedoch für beinahe jede Anwendung eingesetzt werden.

automotive-engineeringAbbildung 2: CFK-Teil mit exakter Dichtfläche

Der wesentliche Unterschied zwischen Carbon und Metallen

Im Vergleich weisen CFK und Metall große Unterschiede auf. Der größte Unterschied liegt im Aufbau der beiden Werkstoffe.

Carbon Faserverbunde besitzen eine anisotrope Anordnung ihrer Faserstränge, was bewirkt, dass ein Bauteil aus CFK je nach Richtung des Faserverlaufs unterschiedliche Werkstoffeigenschaften aufweist. In Faserrichtung besitzt es demzufolge eine sehr hohe Festigkeit. Im Gegensatz dazu ist diese entgegen der Faserrichtung eher gering. Durch die entsprechende Anordnung der Carbon-Lagen im Legeprozess der Bauteile kann dem aber bis zu einem gewissen Grad entgegengewirkt werden. Somit ist es hilfreich die einzelnen Lagen in ihrer Faserrichtung versetzt in das Formwerkzeug einzulegen. Demnach folgt beispielsweise auf eine Lage mit 90° Faserrichtung eine weitere Lage mit 45°.

Metalle wie Aluminium oder Stahl hingegen sind isotrop, was bedeutet, dass sie in alle Richtungen ähnliche Materialeigenschaften aufweisen. Auch Belastungen für welche die Strukturbauteile nicht zwangsweise ausgelegt wurden, können daher gut aufgenommen werden. Dadurch weisen sie ein bestimmtes Maß an Flexibilität auf.

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Was spricht für den Einsatz von Carbon in der Automobilindustrie?

Mit dem Blick auf die Umwelt- und Klimaschutzpolitik müssen Autobauer kontinuierlich ihre Leichtbaustrategien schärfen. Wird von Leichtbau gesprochen, so kommt man in weiterer Folge auch höchstwahrscheinlich nicht so schnell um das Thema CFK herum. Dass CFK aufgrund seiner ausgezeichneten Eigenschaften schon länger eine große Rolle in der Automobilindustrie spielt, ist schon lange kein Geheimnis mehr aber worin liegen die großen Potentiale durch den Einsatz dieses Werkstoffes?

P90210039_highRes_the-limited-bmw-i3-iAbbildung 3: BMW i3 im MR PORTER Design (© Copyright BMW AG)

Emissionsreduzierung und Leistungssteigerung durch Gewichtsersparnis

Vergleicht man das Gewicht von CFK mit dem von Aluminium, so ist dieses um bis zu ca. 50% leichter und vergleicht man dieses auch mit Stahl sind es sogar bis zu ca. 80%. Aus diesem Grund ist der innovative Werkstoff tief verankert in den Leichtbaustrategien renommierter und führender Automobilhersteller. Durch die Gewichtseinsparungen verbrauchen die Fahrzeuge weniger Treibstoff. Dies spiegelt sich in einer Verminderung des Schadstoff- und CO2-Ausstoßes wider. Zudem gewährleistet die Massenreduzierung, dass kleiner dimensionierte Bremsen und Motoren dennoch dieselbe Fahrleistung erbringen. Beispielsweise setzt der Automobilhersteller BMW seit geraumer Zeit bei gewissen Modellen auf den Einsatz von CFK-Dächern. Durch den Umschwung von Stahl auf den Faserverbundstoff konnte das Gewicht des Daches um die Hälfte reduziert werden.

 

Carbon als Treiber für alternative Antriebsarten

Ob E-Autos vorerst noch weniger CO2 produzieren als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren sei dahingestellt, schließlich muss auch die energieintensive Akkuherstellung und Rohstoffgewinnung berücksichtigt werden. Demnach sollen Elektroautos erst ab einer gewissen Laufleistung klimafreundlicher als Verbrenner sein. Betrachtet man jedoch die Zahlen so ist ein klarer Trend zu erkennen. Der Markt für E-Fahrzeuge ist kontinuierlich im Wachstum. Das zeigt auch eine Auswertung der Statistik Austria. Aus dieser Statistik geht hervor, dass es im Jahr 2019 alleine bis zum Monat September 7.383 Neuzulassungen von E-Autos gegeben hat, wohingegen es im Jahre 2016 nur 2.900 Fahrzeuge waren. Die üblichen Probleme von Elektrofahrzeugen waren bis dato die geringe Reichweite und die schweren Batterien. Durch den Einsatz von Leichtbau und Carbon konnten über die letzten Jahre hinweg auch hierbei wesentliche Fortschritte erzielt werden.

In welche Richtung sich der Automobilsektor letztendlich entwickeln wird, weiß momentan niemand so genau, sagt Jakob Reichsöllner vom steirischen Autocluster AC Styria. Aus den Führungsetagen großer Automobilhersteller ertönen jedoch vermehrt warnende Aussagen. So mahnte Herbert Diess, VW-Chef, in einer Strategierede bereits, dass der Sturm erst losgehe und die Zeit klassischer Automobilhersteller vorüber sei. Solchen Statements zufolge ist die Zeit reif sich auf neue Antriebsarten zu konzentrieren. Mit neuen Antriebsarten, wie in etwa der E-Mobilität, entstehen auch neue Herausforderungen. Es werden neue Zulieferer erscheinen, wird in einem Artikel des Standards zu diesem Thema berichtet („Brodelnde Branche: Im steirischen Autocluster macht sich Unruhe breit“, DER STANDARD, Walter Müller, vom 01.02.2020). Ein Beispiel sei in etwa die Herstellung von Batteriehalterungen, wozu eigene Fertigungen benötigt werden, so im Interview mit Jakob Reichsöllner.

Eine prädestinierte Möglichkeit ist es jene Batteriehalterungen aus Carbon zu fertigen. Carbon bringt aufgrund seiner Designfreiheit, mechanischen Eigenschaften und chemischen Beständigkeit auf jeden Fall die besten Voraussetzungen mit sich, um geeignete Komponenten für innovativ betriebene Automobilien herzustellen. Folgend wird noch näher auf jene Vorteile eingegangen.

Hohe Belastbarkeit und Sicherheit aufgrund hervorragender mechanischer Eigenschaften

Neben dem geringen Gewicht sticht der Werkstoff auch noch mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften hervor. Strukturbauteile aus CFK substituieren mehr und mehr, hochbelastbare Strukturen aus Stahl oder Aluminium. Durch die anisotropen Eigenschaften können Endlosfasern in der Matrix definiert angeordnet werden, um so eine außerordentlich hohe Druck- und Zugbelastbarkeit zu garantieren. Zudem kann durch die optimale Ausrichtung der Faser in Lastrichtung der Materialeinsatz reduziert werden.

Erhöhte Langlebigkeit aufgrund ausgezeichneter chemischer Eigenschaften

CFK besitzt eine hohe chemische Beständigkeit und ist daher wie zuvor angemerkt korrosionsbeständig. Somit ist es im Gegensatz zu Stahl rostfrei. Dadurch wird die Lebensdauer von Strukturbauteilen erhöht und der Bedarf an aufwendigen Reparaturarbeiten wird stark reduziert. Verglichen mit Aluminium und Stahl profitiert CFK daher stark durch seine Langlebigkeit.

Designfreiheit durch uneingeschränkte Formgebung

Aufgrund des Herstellungsverfahrens von CFK-Strukturbauteilen bieten sich enorme Freiheiten in der Konstruktion und dem Design an. Im Zuge des Legeprozesses werden einzelne Faserverbundmatten Lage für Lage in ein Formwerkzeug eingelegt. Jede Lage wird vorab per Hand oder mit Hilfe von Schneidanlagen zugeschnitten. Dies garantiert eine materialsparende Arbeitsweise. Weiters kann ein Werkstück dadurch bereits ziemlich nahe an seine finale Form gebracht werden und bedarf nur noch wenig Nacharbeit. So können anhand der Formwerkzeuge aerodynamische Bauteile mit hochkomplexen Geometrien erzeugt werden, welche mit anderen Werkstoffen kaum realisierbar sind.

carbon-composite

Abbildung 4: Engineering/Konstruktion einer Leichtbau Chassis

Carbon-Einsatz in der Serienproduktion

Die Fertigung von komplexen Hochleistungsbauteilen aus CFK ist auch aktuell noch sehr personal- und ressourcenintensiv. Weniger schwierig ist dies bei Komponenten mit leichteren Bauteilgeometrien. Entscheidend für den Einsatz von CFK in der Serienfahrzeugproduktion ist die Entwicklung und Implementierung von effizienten Produktionsverfahren um kurze Taktzeiten gewährleisten zu können.

Ein besonders kritischer Aspekt von CFK in der Automobilindustrie ist der Kostenfaktor. Natürlich muss für qualitativ hochwertige und präzise Strukturbauteile aus Carbon Faserverbund mehr Geld in die Hand genommen werden, als für Komponenten aus Aluminium oder Stahl. Was sich aber behaupten lässt ist, dass sich die Preisdifferenz kontinuierlich verringert. Demnach sollen sich die Kosten von CFK laut einer Prognose von McKinsey bis 2030 dem Niveau von Aluminium anpassen. Aufgrund der technologischen Fortschritte der Carbontechnik, welche beispielsweise auf die zunehmende Automatisierung und Digitalisierung zurückzuführen sind, können die Prozess- und Herstellkosten gesenkt werden. Dadurch entwickelte sich das Material bereits in der Vergangenheit immer mehr vom klassischen Prototypen-Werkstoff hin zu einem serientauglichen Werkstoff.


Leichtbau-CFK

Abbildung 5: CFK-Leichtbau Ölwanne

Fazit

CFK zeichnet sich im Wesentlichen durch sein herausragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aus. Dies macht Carbon Faserverbund zum perfekten Werkstoff für Bauteile, welche zugleich enorme Anforderungen an Leichtigkeit und an große Belastung haben. Aufgrund dieser Eigenschaft spielt das Material über die letzten Jahre hinweg eine immer größer werdende Rolle in der Automobilindustrie. Immer mehr Produzenten berücksichtigen den Werkstoff daher in ihren Leichtbaustrategien, mit dem Ziel den Emissionsausstoß zu reduzieren und zugleich die Leistung zu erhöhen. Aufgrund des Preisvorteils von Stahl oder Aluminium wird CFK aktuell hauptsächlich nur für den Prototypenbau oder für Sportwägen, bei denen die Kosten eine untergeordnete Rolle spielen, eingesetzt. Der technologische Fortschritt führt jedoch zu einer Senkung der Herstellkosten und somit auch der Produktkosten für Bauteile aus Carbon Faserverbund. Daher wird das Material nun vermehrt auch zum Thema in der Produktion von Serienfahrzeugen. Zudem ergeben sich durch neue und innovative Antriebsarten neue Herausforderungen im Automobilbau, für welche Leichtbaulösungen aus Carbon, die besten Voraussetzungen mit sich bringen.

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Carbon CFK Autoklaventechnik Herstellung.jpg

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