Weniger ist mehr

Groz-Beckert KG

Auf der Kunststoffleitmesse „K“, die vom 19. bis zum 26. Oktober 2016 in Düsseldorf stattfindet, ist Leichtbau ein wichtiges Thema. Im Vordergrund stehen hier Werkstoffe aus einem Verbund von Fasern und Kunststoffen, sogenannte Composites.

Leichtbau gibt es schon lange. Vor allem im Flugzeugbau hat man früh begonnen den Treibstoffverbrauch durch Gewichtsreduktion zu senken und damit erheblich Kosten zu sparen. Deshalb setzte man dort zunehmend auf den Werkstoff Carbon, genauer: auf carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Die Einsparungen durch diesen leichten Werkstoff  waren derart groß, dass sie auch seine hohen Kosten wettmachten. Lange war es allerdings ein Nischendasein, da Flugzeuge nicht in großen Stückzahlen gefertigt werden. Seit ein paar Jahren hat sich das Bild gewandelt. Leichtbau ist in der Industrie heute in aller Munde. Das liegt maßgeblich daran, dass mit der Automobilindustrie erstmals eine Branche auf den Zug aufgesprungen ist, die große Mengen in Serie herstellt.
Heute ist die Autoindustrie der Treiber in Sachen Leichtbau – und das nicht zuletzt deshalb, weil sie selbst eine Getriebene ist. Im Zuge der Klimapolitik der EU muss sie die Schadstoffemissionen ihrer Autos drastisch reduzieren. Die entsprechende EU-Verordnung sieht eine schrittweise Verringerung des Ausstoßes von CO2 bis 2030 vor. Schon bis 2020 müssen die CO2-Emissionen auf durchschnittlich 95 Gramm je Kilometer begrenzt werden. Bei Nichterreichen der Ziele drohen harte Strafen.


Neben den Antrieben und der Aerodynamik lässt sich das Ziel vor allem durch leichtere Karosserien erreichen. „Das Einsparpotenzial durch Leichtbau ist enorm groß. Vom gesamten Verbrauch der heutigen Fahrzeuge entfallen circa 22 Prozent auf das Fahrzeuggewicht“, sagt Matthias Graf, Leiter Technologie und Geschäftsentwicklung – Business Unit Composites beim Maschinenbauer Dieffenbacher. “In der Aerodynamik hat man schon viel erreicht. Hier sind weitere Verbesserungsmöglichkeiten daher begrenzt. Im Leichtbau dagegen stehen wir erst am Anfang“, sagt Graf. Allerdings ist von 2010 bis heute schon viel geleistet worden. So ist es beispielsweise gelungen, den Herstellungsprozess für CFK-Bauteile vollständig zu automatisieren und damit überhaupt erst großserientauglich zu machen.


Die EU-Emissionsziele haben den Leichtbau in der Autoindustrie stark gepusht. Neu war das Thema Leichtbau dort allerdings nicht. Hätte man nicht seit längerem auf leichtere Bauweise gesetzt, wären die heutigen Autos noch wesentlich schwerer. „Moderne Fahrzeuge haben heute viel mehr Sicherheitstechnik, mehr Elektronik, mehr Komfort, und doch hat ihr Gewicht  vergleichsweise weniger stark zugenommen“, fasst das Peter Egger, Leiter des Technologiezentrums Leichtbau-Composites beim Spritzgießmaschinenhersteller Engel Austria zusammen. 


Ein Beitrag zur Nachhaltigkeit


Wenn ein Teil leichter wird, verbraucht es weniger Energie in der Bewegung. Von daher ist der Leichtbau-Ansatz auf Basis von CFK grundsätzlich bereits ein Beitrag zur Nachhaltigkeit. Voraussetzung ist allerdings, dass man auch den Produktionsprozess für ein leichteres Bauteil energetisch möglichst optimal aufstellt. „Wenn man für die Produktion zu viel Energie verbraucht, ist das Gesamtergebnis in puncto Nachhaltigkeit schlechter“, sagt Peter Egger von Engel.


Ein gewisses Handicap hat CFK derzeit noch beim Thema Recycling. Sofern die Carbonfasern in einem duroplastischen Kunststoff eingebettet sind, ist dieser Verbund später nur schwer in seine ursprünglichen Bestandteile zu zerlegen. Ein Recycling im Sinne einer Trennung der Fasern vom Kunststoff und deren Wiederverwendung gibt es derzeit im großtechnischen Einsatz noch nicht. Die dafür nötige Pyrolyse ist einfach noch zu teuer. An dem Problem Recycling wird aber bereits in verschiedener Hinsicht gearbeitet. „Wir bei Engel setzen im Faserverbund sehr stark auf thermoplastische Systeme. Die sind in puncto Recycling hervorragend. Sehr oft kann das Material regranuliert und wieder im Spritzgussprozess eingesetzt werden. Auch die Fügetechnik ist einfacher“, weiß Egger zu berichten.


Das Recycling-Problem kann man auch dadurch einschränken, dass man weniger CFK-Bauteile verwendet und dennoch beim Leichtbau bleibt. „Wir sollten über den verstärkten Einsatz von reinen Kunststoffen im Auto nachdenken, solchen, die wir zu hundert Prozent recyceln können“, meint Klaus-Peter-Welsch, Sales & IT-Manager bei der Geiss AG. Er sieht das Potenzial für Kunststoff noch längst nicht ausgeschöpft. Gerade im Auto könne man den Kunststoffanteil weiter erhöhen und dadurch noch einmal deutlich leichter werden. Man denke beispielsweise an den verstärkten Einsatz von Vliesstoffen. Ein Vlies im Radkasten klappert nicht und ist leichter als andere klassische Werkstoffe wie Stahl oder Aluminium. Vliese haben auch den Vorteil der Geräuschdämmung. Sie bestehen aus reinen Polypropylen-Fasern, die nicht verwoben und zu hundert Prozent recyclingfähig sind.


Anwendungsfelder fast ohne Grenzen


Auch außerhalb der Automobil- und Luftfahrtbranche sind Faserverbundwerkstoffe und deren Leichtbaupotenzial gefragt. Ein relativ neues Anwendungsfeld ist beispielsweise der Baubereich. Die Bundesregierung hat hier ein Gemeinschaftsprojekt zur Förderung von Carbon-Beton-Verbundwerkstoffen aufgelegt. Dabei geht es um Beton-Verstärkungen aus Carbonfasergelegen. Die Carbonfaserkonstruktionen sind gegenüber üblichen Stahlbewehrungen deutlich leichter und hinsichtlich der Tragfähigkeit wesentlich leistungsfähiger. Carbonfaserverstärkter Beton ermöglicht freieres Konstruieren und Formen, und der für Stahl notwendige Korrosionsschutz durch Mindestdicken an Betonauflage entfällt. Die entsprechend eingesparten Betonmengen tragen erheblich zur Ressorcenschonung bei.


Der Textilmaschinenhersteller KARL MAYER ist an dem Projekt beteiligt. „Im Mittelpunkt steht bei uns die Herstellung von biaxialen Gelegestrukturen zur Verstärkung von Betonbauteilen“, sagt Jochen Schmidt, Geschäftsführer für den Bereich Technische Textilien. Die Biaxialgelege sind gitterartig aufgebaut. Die lastaufnehmende Carbonfaser wird mit einem Winkel von 0 Grad als Stehfaden und mit 90 Grad-Lage als Schuss angeordnet und auf den Schußwirkmaschinen in einem Arbeitsschritt fixiert. „Wir betreiben damit auch ein Stück Grundlagenforschung im Betonbereich“, sagt Schmidt.
Wenn man beispielsweise eine Brücke sanieren will, geschieht dies üblicherweise, in dem man eine zusätzliche Schicht aus mit Stahlmatten unterlegtem Beton aufträgt. Durch den Einsatz von Carbon statt Stahl erreicht man eine enorme Gewichts- und Materialeinsparung. „Das hat zur Folge, dass man zu gleichen oder gegebenenfalls sogar geringeren Kosten sanieren kann“, erläutert Schmidt.


Faserverbund geht nicht nur mit Carbon


CFK verzeichnet in den letzten Jahren große Wachstumsraten. Noch aber ist der Anteil dieses Werkstoffs am gesamten Composite-Markt mit nur etwa einem Prozent insgesamt gering. Mit 95 Prozent der weltweiten Produktionsmenge liegen Glasfaserverbundwerkstoffe (CFK) deutlich auf Platz eins. Deutschland ist hier das größte Herstellungsland. Eine bedeutende Anwendung sind zum Beispiel Flügel für Windräder mit Composite-Bauteilen vorwiegend aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Ein solcher Flügel wäre viel zu schwer, fertigte man ihn aus Stahl. Nähme man Kunststoff ohne Faserverstärkung, würde der Flügel den Kräften nicht standhalten. Die Fasergelege nehmen die extrem hohen Fliehkräfte bei einem sich drehenden Flügel auf und sorgen langfristig für die notwendige Festigkeit.


Großes Potenzial zu halbierten Kosten


Carbonfaserverstärkte Kunststoffe haben das größte Leichtbaupotenzial. Aber sie sind noch immer teuer. Die Entwicklung geht daher dahin, über das Bauteil-Engineering eine bessere Nutzung der Materialeigenschaften zu erreichen. Darüber hinaus wird noch erhebliches Potenzial in der Reduzierung der Produktionsabfälle und bei der Effizienzsteigerung der Prozesse gesehen. Der Kostenvergleich berücksichtigt bislang oft nur den Materialpreis pro Kilogramm. „Betrachtet man die Kosten aus dem Blick der Funktionserfüllung und die Einsparungen etwa durch Funktionsintegration sowie die Einsparungen durch das geringere Gewicht in der Nutzungsphase, zeigt sich ein anderes Bild“, sagt Graf von Dieffenbacher. „Ich glaube, wir werden es schaffen, in einem Zeitraum von vielleicht zehn Jahren, die Kosten für ein hergestelltes CFK-Bauteil zu halbieren“, ist er überzeugt.
Der vorliegende Leichtbau-Überblick konzentriert sich auf die Entwicklung und den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen, einem zentralen Thema auf der Kunststoffleitmesse „K“. In einem zweiten Teil wird es stärker um den hybriden Leichtbau gehen, also um die Kombination von Composites mit Aluminium, Stahl und anderen Werkstoffen. Der zweite Teil wird vor der Messe COMPOSITES EUROPE veröffentlicht, die vom 29. November bis 01. Dezember 2016 zeitgleich mit der Messe ALUMINIUM ebenfalls in Düsseldorf stattfindet.