FORUM 2011: Hybridwerkstoffe für erfolgreichen Leichtbau
Alu, (hochfeste) Stähle, Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, Kohlefasern: Leichtbau war und ist das Megathema im modernen Fahrzeugbau.
Prof. Dr. Fleischer: Die Energieeffizienz ist bei vorhandenen und neuen Technologien von entscheidender Bedeutung. - Bild: Sabine Hofmann.
Prof. Dr. Jürgen Fleischer Institutsleiter für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie, bricht auf dem 22. AUTOMOBIL FORUM 2011in Ludwigsburg vor den 230 Teilnehmern eine Lanze für systemeffiziente hybride Lösungen.
Im Straßenverkehr werden zirka 70 Prozent des Mineralöls verbraucht und dabei rund 20 Prozent des weltweiten CO2 emittiert. Dies führt dazu, dass, unter dem Gesichtspunkt der allgemeinen Ressourcenverknappung, die Energieeffizienz bei vorhandenen und neuen Technologien von entscheidender Bedeutung ist. Im Widerspruch hierzu gibt es den Kundenwunsch nach sportlichen und dynamischen Fahrzeugen. Die scheinbaren Gegensatzpaare bei der Mobilität heißen schlaglichtartig: Klimaschutz und Effizienz einerseits sowie sportliches Fahren und Dynamik andererseits.
Bei beiden Anforderungen ist die Reduzierung des Fahrzeuggewichts der Schlüssel zum Erfolg, ist sich Prof. Dr. Jürgen Fleischer vom Karlsruher Institut für Technologie sicher. Zur Steigerung der Ressourceneffizienz gebe es prinzipiell zwei Stellhebel; die Antriebskonzepte und den Leichtbau. Dabei stehen laut dem wbk-Institutsleiter Material-, Struktur- und Systemleichtbau im Vordergrund. Denn die Gewichtsreduktion an und für sich ermögliche eine verbesserte Fahrdynamik, weniger Verschleiß und Betriebskosten, weniger Kraftstoffverbrauch und CO2-Ausstoss, mehr Sicherheit durch reduzierte Bremswege ebenso wie reduzierte Fahrwiderstände.
Prof. Fleischer sieht grundsätzlich zwei verschiedene Leichtbau-Konzepte wie den Metall-Leichtbau (Material-Substitution oder Wabenstrukturen) und den Faserverbundkunststoff-Leichtbau.
Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) sind dabei metallischen Werkstoffen in vielen Bereichen, wie beispielsweise in der gewichtsbezogenen Steifigkeit und Festigkeit überlegen. Der Einsatz von FVK ist im Bereich Motorsport sowie Luft- und Raumfahrt mittlerweile bereits Stand der Technik. Im Mittelpunkt der Bemühungen steht oft eine Reduktion des Bauteilgewichts. Ein Transfer der Erkenntnisse ist aufgrund wirtschaftlicher und technologischer Gesichtspunkte auf dem Bereich der Serienfahrzeuge aber nur begrenzt möglich.
Zur Herstellung von Rahmenstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen stehen am Anfang zunächst die Profile, die zum Karosserierahmen verbunden werden müssen. Für Bauteile wie Fahrzeugdächer müssen zunächst Endlosfasern zugeschnitten werden, dann erfolgt der Lagenaufbau, deren mehrere Schichten teil miteinander vernäht werden müssen. Diese Fasermatten werden anschließend endkonturnah vorgeformt, gepresst, gleichmäßig mit Harz befüllt und im Autoklaven vernetzt. Viel Handarbeit und viel Auschuss heißen nur einige der Herausforderungen, um schließlich zum fertigen Bauteil zu kommen. Gerade in diesen Bereichen seien laut Prof. Fleischer noch große Potentiale zu heben, um die Vorteile wie bis zu 60 Prozent Gewichtsersparnis tatsächlich in die Großserie umsetzen zu können. Noch fehle es aber am Prozess- und Konstruktionsverständnis.
Prof. Dr. Fleischer: Der systemeffiziente hybride Leichtbau besitzt den Kerngedanken „join the best“. - Bild: Sabine Hofmann
Um einen breiten Einsatz des Leichtbaus im Automobilbereich zu ermöglichen, muss die Effizienz der Fahrzeuge so gesteigert werden, dass die Ressourcenbilanz eines Leichtbaufahrzeugs besser als die eines konventionell aufgebauten Fahrzeugs ist, davon ist Prof. Fleischer überzeugt.
Eine Substitution vorhandener Bauteile durch neue FVK-Werkstoffe ist dabei jedoch nur begrenzt zielführend. Vielmehr muss der konventionelle Leichtbau so weiter entwickelt werden, dass anstelle einer reinen Gewichtsreduzierung ein Gesamtoptimum unter technologischen, ökonomischen, ökologischen und sozialen Zielkriterien erreicht wird.
Denn an unterschiedlichen Stellen im Automobil sind die Anforderungen an die Materialien höchst unterschiedlich. Zu denken, dies ließe sich quasi “monolithisch” in nur einem Werkstoff darstellen, ist bereits gegenwärtig hinfällig.
Der systemeffiziente hybride Leichtbau besitzt dagegen den Kerngedanken „join the best“. Verschiedene Werkstoffe werden so verbunden, dass sie in ihrer Kombination ein Produkt mit den besten Gesamteigenschaften hervorbringen. Dabei wird neben Produktionsprozessen die hybride Verbindungstechnik eine zentrale Rolle spielen. Denn ein Cocktail aus Verbundwerkstoffen, Stahl, Alu, Kunststoffen und technischen Textilien benötigt auch neue Berechnngsmodelle, Auslegungsmethoden, großserienfähige Prozesse und die entsprechende Verbindungstechnik.
