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Automotive

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Anna-Lea Glocker

Leitung Marketing & Kommunikation,

Composites United e.V.

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HauptansprechpartnerAnsprechpartner
Doris Karl

Öffentlichkeitsarbeit, Marketing

Composites United e.V.

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Faserverbundwerkstoffe in der Automobilindustrie

Die übergeordneten Anforderungen an die Automobilindustrie sind durchaus mit denjenigen an die Luftfahrtindustrie vergleichbar. Die Hersteller sind mit strengen gesetzlichen Bestimmungen zur Begrenzung von Verbrauch und Emissionen konfrontiert. Neben massiven Anstrengungen, die Motoren und ihr Management zu optimieren, gilt derzeit als erfolgversprechendste Strategie, um diese Bestimmungen einhalten zu können, die Reduzierung des Fahrzeuggewichts. Das Mittel der Wahl: Der konsequente Leichtbau.

Reduzierung der Emissionen

Laut entsprechender EU-Verordnung darf der CO2-Ausstoß von neu zugelassenen Pkw eines Herstellers ab 2012 im Mittel über die gesamte Modellpalette nicht mehr als 130 g/km betragen. Für das Jahr 2020 ist ein Grenzwert für alle Neuzulassungen von 95 g/km CO2 vorgegeben.

Während des Betriebs entstehen etwa 85 Prozent der gesamten Treibhausgasemissionen. 36 Prozent davon werden vom Gewicht des Fahrzeugs verursacht.

Als Faustregel gilt: 100 Kilogramm Gewichtsreduktion bringen etwa 0,3 bis 0,5 Liter Verbrauchseinsparung pro 100 Kilometer. Und das heißt wiederum, dass acht bis zwölf Gramm weniger CO2 pro gefahrenen Kilometer freigesetzt werden.

Ein anderer Treiber

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs und die Neuentwicklung von Elektrofahrzeugen wäre die zweite Möglichkeit, Emissionen zu senken. Deutschland will mit seiner starken Automobil-Industrie Leitmarkt und Leitanbieter für Elektromobilität werden. Bis zum Jahr 2020 sollen eine Million Elektrofahrzeuge auf deutschen Straßen unterwegs sein. Das Hauptproblem dabei: die bisher limitierte Reichweite und die schweren Batterien. Auch hier setzen die Hersteller auf den Leichtbau. Denn leichtere Fahrzeuge können entweder weiter fahren oder auch mit einem größeren Innenraum bzw. einer höheren Zuladung versehen werden.

Carbon Composites in der Automobil-Industrie

Überlegene mechanische Eigenschaften sichern Faserverbundwerkstoffen ihren zukünftig noch stärkeren Einsatz als Leichtbauwerkstoff im Fahrzeugbau. Sie profilieren sich immer stärker als Alternativmaterial für hochbelastbare Strukturen. Sie substituieren zunehmend selbst hochfesten Stahl oder Aluminium und seine Legierungen. Mit ihren anisotropen Eigenschaften können Endlosfasern in der Matrix gezielt angeordnet werden, was zu einer besonders hohen Zug- oder Druckbelastbarkeit in der so definierten Richtung führt. Bei optimaler, in Lastrichtung gerichteter Fasernutzung, reduziert das zusätzlich den Materialeinsatz. Thermoplastisches CFK lässt sich gut umformen und mit anderen Materialien zu Hybridwerkstoffen kombinieren.

Faserverbundwerkstoffe für den Serieneinsatz

Die Entwicklung und Realisierung effizienter Serienproduktionsverfahren für CFK sind entscheidend für den breiten Einsatz dieses Werkstoffs im Automobilbau. Denn die Erkenntnisse aus der Luft- und Raumfahrt-Industrie sind nicht direkt auf die Anforderungen und Kostenstrukturen im Automobilbau übertragbar. Hohe Taktraten und kurze, effiziente Wertschöpfungsketten stehen hier im Vordergrund.

Und natürlich die Werkstoffkosten. Nach einer Prognose von McKinsey werden sich die Kosten von CFK bis zum Jahr 2030 dem Niveau von Aluminium annähern. Während Aluminium dann etwa 40 Prozent teurer als Stahl sein könnte, sollen die Mehrkosten für CFK unter günstigen Bedingungen gegenüber Stahl nur noch 90 Prozent statt bisher 570 Prozent betragen. Nach Berechnungen von Roland Berger wird für ein CFK-Bauteil bis zum Jahr 2020 eine Kostenreduktion von 30 Prozent gegenüber heute erreichbar sein. Darin enthalten sind die um 40 Prozent gesunkenen Prozesskosten. Volkswagen geht für eine Großserienproduktion in einer Prognose ohne genauen Zeitrahmen sogar von um 90 Prozent reduzierten Prozesskosten aus, so dass zusammen mit Material- und Lackkosten CFK-Werkstoffe dann zwei Drittel preiswerter sein sollen als heute.

Als besonders vielversprechend für einen breiteren Einsatz von CFK im Fahrzeugbau in der Großserie gelten die Harzinjektionsverfahren und hier vor allem das Resin Transfer Molding (RTM). Dazu werden zunächst Endlosfasern als mehrschichtiges Gelege angeordnet, aufgeheizt und in die spätere Bauteilform gebracht. Diese Preforms legt man anschließend in das Formwerkzeug der RTM-Presse ein, in das dann das Harz mit den anderen Reaktionskomponenten eingespritzt wird. Das Reaktionsgemisch durchsetzt das Gewebe und härtet zur Matrix aus. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, kann das Harz mit hohem Druck eingespritzt und die Presse zusätzlich evakuiert werden. Mit dem RTM-Verfahren lassen sich prinzipiell Zykluszeiten von wenigen Minuten erreichen, abhängig von der Aushärtungszeit des verwendeten Matrixmaterials und vom Automatisierungsgrad der Prozesskette. Um CFK-Bauteile künftig auch in großen Stückzahlen fertigen zu können, wird die RTM-Technik kontinuierlich weiterentwickelt, u.a. auch vom CU-Mitglied Krauss Maffei.

Erfolgsstory

BMW fertigt CFK-Dächer für die Modelle M3 und M6 in einer Produktionslinie in Landshut. Das mittlerweile in Serie im M3 verbaute CFK-Dach wiegt mit 4,5 Kilogramm weniger als die Hälfte des herkömmlichen Fahrzeugdachs aus Stahl. Weiterer Vorteil: Es ist sehr verwindungssteif. Derzeit werden etwa 50 Dächer pro Tag produziert. Bei einfacheren Bauteilgeometrien können heutige Produktionsanlagen abhängig vom eingesetzten Fertigungsverfahren jährlich bis zu 100.000 CFK-Bauteile herstellen. Ein notwendiger, noch weiter voranzutreibender Fortschritt, wenn man an die von BMW anvisierten Produktionszahlen für die Elektrofahrzeuge i3 und i8 denkt.

Beschleunigungsfaktoren

Im vom deutschen Forschungsministerium (BMBF) geförderten Spitzencluster MAI Carbon sollen Leichtbaueigenschaften von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen für verschiedene Anwendungsfelder bis 2020 großindustriell nutzbar gemacht werden. In einer Vielzahl von Projekten – von der Materialherstellung über die Fertigung bis zum Recycling – stehen die Entwicklung serienfähiger Herstellungsverfahren und die Erschließung effizienter Prozesse, die Erforschung alternativer Rohstoffe und die Schließung von Stoffkreisläufen im Mittelpunkt des Interesses. Die Neuentwicklung rein elektrisch angetriebener Fahrzeuge, die nicht auf Basis bestehender Modelle und Plattformen von Autos mit Verbrennungsmotor realisiert werden, ist auch hier ein Schwerpunkt. Der Wegfall von Verbrennungsmotor, Getriebe und Abgasstrang sowie die Notwendigkeit der Integration neuer Funktionseinheiten wie Batterie und Elektromotor eröffnen den Designern neue Spielräume entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Angepasste Strategien

Die OEMs agieren unterschiedlich.

  • BMW und SGL Carbon gründeten 2009 das Gemeinschaftsunternehmen SGL Automotive Carbon Fibers LLC und errichteten ein neues Werk in Moses Lake in den USA. Hier werden seit 2013 Kohlenstofffasern für die CFK-Karosserien der neuen Elektrofahrzeuge produziert.
  • Volkswagen ist derzeit mit acht Prozent an SGL Carbon beteiligt und plant mit dem Ein-Liter-Auto XL1 erstmals ein Fahrzeug mit einer CFK-Karosserie.
  • Daimler hat mit der japanischen Toray Industries, dem weltweit größten Hersteller von Kohlenstofffasern, eine Partnerschaft vereinbart. Ziel ist die Weiterentwicklung der Prozesstechnik für die kostengünstige Fertigung von CFK-Bauteilen für verschiedene Baureihen.
  • Audi ist mit Voith eine Kooperation eingegangen, um CFK und eventuell auch andere neue Leichtbau-Werkstoffe besser für die Großserienfertigung verfügbar zu machen.

Der fachliche Austausch auf der vorwettbewerblichen Ebene findet zwischen den deutschen Automobilherstellern im CU statt, in dem alle genannten OEMs Mitglied sind.

Stand der Technik heute und morgen

CFK-Werkstoffe gibt es bislang häufig im Motorsport, in Tuning-Anwendungen und in Fahrzeugen, die im oberen Preissegment angesiedelt sind – im Segment der Großserienfahrzeuge dagegen noch eher selten. Das liegt zum einen in den hohen Materialkosten und zum anderen im Mangel an serientauglichen Herstellungsverfahren begründet. Die Entwicklung und Realisierung effizienter Serienproduktionsverfahren für CFK bilden daher die entscheidenden Voraussetzungen für den breiten Durchbruch dieses Werkstoffs im Automobilbau.

Allerdings wird CFK-Werkstoffen ein großes Zukunftspotenzial als Leichtbauwerkstoff in Serienfahrzeugen zugesprochen. Insbesondere Verbundwerkstoffe mit einem hohen Anteil an Kohlenstoffendlosfasern bieten sich als Alternativmaterial für hochbelastbare Strukturen an. Diese wurden bislang hauptsächlich mit Stahl oder Aluminium realisiert. Dabei können die Endlosfasern in der Kunststoffmatrix gezielt in einer bestimmten Orientierung angeordnet werden, um dadurch eine besonders hohe Zug- oder Druckbelastbarkeit in einer bestimmten Richtung zu erreichen. Denn ein Höchstmaß an Ressourceneffizienz wird durch einen reduzierten Materialeinsatz bei optimaler Faserausnutzung (Faser möglichst in Lastrichtung gerichtet) und während des Betriebes des Fahrzeugs durch das reduzierte Gewicht erreicht. CFK mit thermoplastischer Matrix bringen zudem weitere vorteilhafte Eigenschaften mit sich: So lassen sie sich gut und kostengünstig umformen und mit anderen Materialien zu Hybridwerkstoffen kombinieren.

Trends

Als neuer Trend in der Hybridtechnologie ist die Kombination von glasfaserverstärkten Kunststoffen mit Einlegern aus Organoblechen, also endlosfaserverstärkten Halbzeugen mit thermoplastischer Matrix, auf dem Vormarsch. Diese Materialkombination verspricht ein besonders geringes Bauteilgewicht bei hoher Festigkeit, Steifigkeit und Energieabsorption. Das macht sie für den Einsatz in Frontends interessant. Weitere Vorteile bestehen in der hohen Designfreiheit und dem vergleichsweise geringen Aufwand bei der Fertigung im One-Shot-Prozess – ohne Nachbearbeitung. Gegenüber Hybridbauweisen mit Metalleinlegern entfällt das Problem der Korrosion.

Nachgefragte Mengen Werkstoff

Der Marktbericht 2012 des Carbon Composites e.V. (CCeV) nannte für das Jahr 2011 einen Weltjahresbedarf von 37.000 Tonnen Kohlenstofffasern. Für das Jahr 2020 wird eine Nachfrage für circa 130.000 Tonnen prognostiziert.
Von diesen 130.000 Tonnen sollen etwa 42 Prozent auf Windenergieanlagen, sieben Prozent auf den Flugzeugbau und sechs Prozent auf den Automobilbereich entfallen. Damit steigt auch die Anwendung im Automobilbereich – wie der Gesamtmarkt – um etwa 15 Prozent jährlich bis 2020.

Industriepolitische Bedeutung

Das Angebot von Kohlenstofffasern für CFK wird dominiert von Herstellern aus Japan (Toray, Toho, Mitsubishi Rayon [MRC]) und den USA (Zoltek, Hexcel). Der einzige deutsche Global Player ist SGL Carbon. Die Hersteller von Kohlenstofffasern bringen derzeit eine theoretische Gesamtkapazität von rund 90.000 Tonnen Kohlenstofffasern auf. Die größte installierte Kapazität für die Herstellung von Kohlenstofffasern findet sich mit rund 29 Prozent in den USA, gefolgt von Europa und Japan mit je 25 Prozent der Weltkapazität. China verfügt derzeit noch über einen kleinen Anteil von rund acht Prozent, allerdings mit steigender Tendenz.

Für die deutsche Automobilindustrie war 2011 ein Rekordjahr, in dem mit fast 5,9 Mio. Pkw so viele Autos produziert wurden wie nie zuvor. Im Jahr 2012 ging die Inlandsproduktion um 8,1 Prozent auf knapp 5,4 Mio. Pkw zurück. Damit konnte sich die Branche zwar vollständig von der Finanz- und Wirtschaftskrise und dem Absatztiefpunkt im Jahr 2009 erholen, erhielt aber durch die weltweit schwächere Konjunktur und die Eurokrise 2012 erneut einen Dämpfer. Diese Entwicklung wurde vor allem von der Nachfrage im Ausland getrieben, wie die Rekordmarke von 4,5 Mio. exportierten Fahrzeugen in 2011 und der Rückgang auf gut 4,1 Mio. in 2012 verdeutlicht.

Auch im Bereich der Automobilzulieferer sind mit der Robert Bosch GmbH und der Continental AG zwei große Global Player in Deutschland ansässig. Bosch hat im Jahr 2011 in der Geschäftssparte Kraftfahrzeugtechnik erstmals mehr als 30 Mrd. Euro umgesetzt und ist damit nun der weltweit größte Automobilzulieferer.

Gesellschaftliche und umweltpolitische Bedeutung

Der Schutz und die Erhaltung unserer Umwelt ist eine gesamtgesellschaftliche Aufgabe. Dazu gehört auch die Verringerung von Emissionen. Vermeintlich im Widerspruch dazu steht die Forderung nach individueller Mobilität. Denn Verbrennungsmotoren gehören nun mal mit zu deren Hauptverursachern. Konsequenter Leichtbau und die neuen Werkstoffe im Automobil und in der Luftfahrt können und werden hier eine wesentliche Entlastung leisten und zur substantiellen Verbesserung der Schadstoffbilanz beitragen – alleine oder in Kombination mit anderen, etablierten Materialien.

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