Faserverbundwerkstoffe Composites erhöhen die Effizienz

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe haben das größte Leichtbaupotenzial. Bauteile aus diesem Material benötigen in Bewegung weniger Energie. Der VDMA gibt einen Überblick.

Firmen zum Thema

Im Gemeinschaftsprojekt InEco des ILK, LZS und Thyssen Krupp wurde für die Tragstruktur eines Elektrofahrzeugs ein intelligenter Materialmix entwickelt, in dem Stahl und CFK massenmäßig dominieren. Der Anteil der Tragstruktur an der Gesamtmasse des Autos von ca. 900 kg beträgt nur ca. 150 kg.
Im Gemeinschaftsprojekt InEco des ILK, LZS und Thyssen Krupp wurde für die Tragstruktur eines Elektrofahrzeugs ein intelligenter Materialmix entwickelt, in dem Stahl und CFK massenmäßig dominieren. Der Anteil der Tragstruktur an der Gesamtmasse des Autos von ca. 900 kg beträgt nur ca. 150 kg.
(Bild: Dorothee Quitter/ konstruktionspraxis / ILK)

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 g/km begrenzt werden. Bei Nichterreichen der Ziele drohen harte Strafen.

Bildergalerie

Gewicht reduzieren – Energie sparen

Neben den Antrieben und der Aerodynamik lässt sich das Ziel vor allem durch leichtere Karosserien erreichen. Wird ein Teil leichter, verbraucht es weniger Energie in der Bewegung. CFK bietet hier als leichtestes Material einen sinnvollen Ansatz und einen Beitrag zur Nachhaltigkeit. Voraussetzung ist allerdings, dass auch der Produktionsprozess für ein leichteres Bauteil energetisch möglichst optimal aufstellt ist. Hier ist es in den letzten Jahren gelungen, den Herstellungsprozess für CFK-Bauteile vollständig zu automatisieren und damit überhaupt erst großserientauglich zu machen.

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.

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. 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.

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 % 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.

Fertigte man ihn aus Stahl, wäre ein solcher Flügel viel zu schwer. 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. (qui)

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:44219424)