Leichtbau – weniger ist besser

^{Webspecial Fraunhofer-Magazin 4.2023}

Durch eine Vielzahl innovativer Ansätze sollen Bauteile und Produkte an Gewicht verlieren – und dadurch günstiger sowie nachhaltiger werden.

Drei Räder, massives Design und eine riesige Transportbox: Auf den ersten Blick sieht das weiße Lastenfahrrad aus wie jedes andere Cargo-E-Bike, mit dem Menschen heutzutage ihre Einkäufe erledigen, Eltern die Kinder in die Kita bringen oder Lieferanten ihre Waren ausfahren. Warum das vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelte Gefährt etwas Besonderes ist, offenbart sich erst nach einem Tritt in die Pedale: Wow, so leicht kann ein Lastenrad sein?

Cargo-E-Bike in Leichtbauweise

»Unser Ziel war, ein wirklich innovatives Cargo-E-Bike in Leichtbauweise zu entwickeln und dabei möglichst viele Kompetenzen des Fraunhofer LBF zu nutzen«, erklärt Dr. Saskia Biehl, Leiterin des Fraunhofer-Projekts L-LBF (»Lasten-LeichtBauFahrrad«). Also wurde ein handelsübliches Transportrad mit Elektroantrieb angeschafft, mit Sensorik ausgestattet und unter Maximalbelastung durch die Stadt sowie über Feld, Wald und Wiese gefahren, um möglichst viele Betriebszustände zu erfassen und zugleich auch Schwachstellen zu identifizieren. »Danach«, so Biehl, »haben wir das Rad in seine Einzelteile zerlegt und überlegt, wie ein Leichtbaudesign des Vorderwagens aussehen kann, um eine Massereduzierung von mindestens 30 Prozent zu realisieren.« Und um damit das enorme Leichtbau-Potenzial in der Mikromobilität aufzuzeigen.

Beim L-LBF ist das Batteriesystem nun unsichtbar in den neu designten Leichtbau-Rahmen integriert und nicht mehr außen in einem Extra- Kasten angebracht. Dabei handelt es sich um ein eigens für dieses Rad entwickeltes rohrförmiges Batteriesystem, das die doppelte Kapazität im Vergleich zu einer kommerziellen Alternative aufweist. Die Stahlfelgen wurden durch eine Alu-Variante im Wellenstegdesign ersetzt, die Transportbox kann wahlweise aus ultraleichtem Kunststoff bestehen, zu 100 Prozent aus Naturmaterialien oder auch komplett aus Recyclingmaterial. Dazu Sensormodule, die Lage und Verteilung der Last in der Transportbox überwachen und zugleich als Verbindungselemente zwischen Box und Rahmen genutzt werden. »Mehr Funktionen, mehr Leistung – und trotzdem unterbietet das L-LBF das Ausgangs-E-Bike auf der Waage um 39 Prozent allein beim Vorderwagenvergleich«, betont Biehl.

Leichtbautechnologie

Schwere Sachen leichter machen: Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) bezeichnet diesen Ansatz als eine der Schlüsseltechnologien für die Zukunft. Im Juli 2021 hat die Bundesregierung die Leichtbaustrategie beschlossen. Leichtbau steht dabei nicht nur für schlichtes Einsparen von Masse. Ziel der Konstruktionsphilosophie ist, Materialauswahl, Produktdesign und Herstellungsverfahren so zu gestalten, dass zum einen Ressourcen geschont und Produkte eben leichter werden, sich zum anderen aber Funktion und Sicherheit verbessern.

Das Gewicht der Dinge belastet die Umwelt. Wird ein Auto um 100 Kilogramm leichter, sinkt der Verbrauch um etwa einen halben Liter pro 100 Kilometer. Das klingt nicht nach viel, doch bei 582,4 Milliarden gefahrenen Pkw-Kilometern pro Jahr hierzulande summiert es sich schnell zu einer veritablen Größe. Bei einem Airbus 320 spart eine Gewichtsverringerung um 100 Kilo knapp 10 000 Liter Kerosin pro Jahr ein. Hinzu kommt, dass sich der globale Rohstoffverbrauch seit 1970 mehr als verdreifacht hat; rund die Hälfte der weltweiten Treibhausgas-Emissionen geht inzwischen zurück auf die Gewinnung und Verarbeitung von Rohstoffen. Ein smartes Leichtbau-Design kommt mit weniger Materialeinsatz aus – was Deutschlands wirtschaftliche Abhängigkeit von Rohstoff-Importen und die finanzielle Belastung der Unternehmen senkt. Denn 43,2 Prozent der Kosten im verarbeitenden Gewerbe entstehen durch die Materialbeschaffung.

»Die Leichtbautechnologie trägt dazu bei, den ökologischen Fußabdruck verschiedener Industrien zu verringern und den Übergang zu einer nachhaltigeren Wirtschaft zu unterstützen«, fasst es Prof. Alexander Böker zusammen. Für den Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP eröffnet der Leichtbau, verknüpft mit Digitalisierung und Bionik, neue Chancen in aufstrebenden Zukunftsmärkten und fungiert so als Treiber zur Steigerung von Ressourcen- und Energieeffizienz.

Leicht fällt der Weg in den Leichtbau den Industrien allerdings nicht, die Transformation erfordert ein grundlegendes Umdenken. Der Forschung kommt hier laut Böker eine entscheidende Funktion zu: »Um sicherzustellen, dass die Industrie, insbesondere der Mittelstand, die enormen Chancen des Leichtbaus zur Transformation nutzen kann, müssen wir den Wissenstransfer aus der Wissenschaft in die Praxis beschleunigen.«

Mehr Leichtigkeit gewinnen durch kluge Werkstoff-Wahl

»Das richtige Material zum richtigen Preis an der richtigen Stelle«: So formuliert Prof. Holger Seidlitz, Forschungsbereichsleiter Polymermaterialien und Composite PYCO am Fraunhofer IAP, eine der Erfolgsformeln für den Leichtbau. Es gilt, den Werkstoff und die Bauteilgestaltung zu finden, die nicht nur mehr Leichtigkeit ermöglichen, sondern auch weiterhin die nötige Funktionalität und Sicherheit zu einem wirtschaftlich vertretbaren Preis garantieren.

Als das »Schwarze Gold« des Leichtbaus gelten dabei Carbonfasern. Zum einen, weil sie wunderbar leicht sind und trotzdem sehr hohe Festigkeit aufweisen und somit als Substitut etwa für Metalle eine enorme Masseneinsparung erlauben. Und zum anderen, weil sie als carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) im Designprozess nahezu beliebig formbar sind und dennoch dem Produkt eine große Steifigkeit und Festigkeit verleihen. Der Nachteil: Die Herstellung der Fasern ist hochkomplex und energieintensiv. In der »Carbon Lab Factory Lausitz«, einer länderübergreifenden Initiative von Sachsen und Brandenburg, in der die Fraunhofer-Institute IAP und IWU, die Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg BTU und die TU Chemnitz eng zusammenarbeiten, sollen künftig »grüne« Carbonfasern entwickelt und produziert werden: Lässt sich die Faser aus regional nachwachsenden Rohstoffen spinnen? Und inwiefern können regenerative Stromquellen zu einer Verbesserung des ökologischen Fußabdrucks der CFK-Produktion beitragen? Auch der Kreislaufgedanke, so Seidlitz, könne eine Transformation der Carbonfaser vom »Schwarzen« zum »Grünen Gold« des Leichtbaus forcieren: »Je länger eine Kohlenstofffaser im Kreislauf gehalten werden kann, desto besser für die Umwelt.«

Wie sich die Circular Economy im Fall von CFK optimieren lässt, eruiert das Fraunhofer IAP mit fünf Kooperationspartnern aus Wirtschaft und Wissenschaft im TransHyDE-Projekt MUKRAN. Unter der Leitung von Holger Seidlitz werden zwei Kugelspeichervarianten für Wasserstoff entwickelt. Schon die Form kann Masse einsparen: Physikalisch bedingt ist die im sonst üblichen Zylindertank benötigte Wandstärke doppelt so hoch wie in der Kugelvariante. »Reine Stahltanks besitzen zudem ein Vielfaches an Masse als solche aus CFK«, erklärt Seidlitz. Die hohe Masse erhöht die Treibstoffkosten, da auch Fahrwerk und Bremsen der Transportfahrzeuge entsprechend verstärkt werden müssen. Und irgendwann steht dann die Frage im Raum, ob Wasserstoff tatsächlich eine umweltverträgliche Lösung sei.

Um nicht unnötig viel der teuren Carbonfaser zu verwenden, wird im Projekt MUKRAN an Lösungen geforscht, um leichte und dennoch zuverlässige Wasserstoffspeicher zu gestalten. Hierfür entwickelt das Forscherteam des Fraunhofer IAP beispielsweise Sensoren, die mittels gedruckter Elektronik auf den Faserverbundteilen appliziert werden – »möglichst Lage für Lage, damit wir mehr darüber erfahren, was im Werkstoff unter Belastung passiert«, sagt Seidlitz. Erst mit diesem Wissen könne man effizient konstruieren und auslegen. Aber auch später, im Realbetrieb der Hochdrucktanks, erweist sich die Sensorik als sinnvoll für die Zustandsüberwachung.

Getestet werden die Tanks unter anderem im ZenaLeb (Zentrum für nachhaltige Leichtbautechnologien), eine vom Land Brandenburg geförderte Projektgruppe als Kooperation zwischen dem Fraunhofer IAP und der BTU Cottbus-Senftenberg, die die Entwicklung effizienter Leichtbaustrukturen und deren Transfer in die Massenproduktion voranbringen soll.

Den Schritt aus dem Labor in die Umsetzung hat eine andere Innovation bereits geschafft: Im Rahmen diverser, vom BMWK geförderter Luftfahrtprojekte haben Forschende am Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV gemeinsam mit dem Luftfahrtzulieferer Premium Aerotec in Augsburg neue Technologien für die effiziente Herstellung von CFK-Strukturbauteilen entwickelt, durch die letztendlich die Titanbauweise der Flugzeugtür-Rahmenstruktur des Airbus 350 durch CFK substituiert werden konnte. »Die Türrahmenstruktur aus CFK ist nicht nur erheblich leichter, sondern aufgrund materialeffizienter und automatisierter Fertigungsprozesse wie dem Automated Fiber Placement auch wirtschaftlicher«, sagt Kevin Scheiterlein, Gruppenleiter Fiber Placement und Composite Molding am Fraunhofer IGCV.

»Leichtbau ist eine Querschnittsdisziplin«, betont Seidlitz: Um die Technologie den unterschiedlichen Industrien nahezubringen, müssen die Erkenntnisse entlang der gesamten Wertschöpfungskette gebündelt und entsprechende Synergien genutzt werden. Diesem Ansatz trägt das Fraunhofer Forschungsfeld Leichtbau Rechnung, ein Zusammenschluss aus 14 Fraunhofer-Instituten. Von der Entwicklung neuer Materialien und Materialkombinationen über effiziente sowie automatisierte Fertigungs- und Fügetechnologien bis hin zu nachhaltigeren Bauweisen und geeigneten Prüfverfahren findet die Wirtschaft hier Unterstützung und kompetente Ansprechpartner.

Mittels Prüftechnologie bei Material- und Bauteilentwicklung einsparen

Teil des Fraunhofer-Forschungsfeldes Leichtbau ist unter anderem das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM mit dem Schwerpunkt Prüftechnologie – einem Teilbereich des Leichtbau-Prinzips, der entscheidend mitbestimmt, wie viel Material tatsächlich eingespart werden kann, ohne Funktion und Sicherheit zu gefährden. »Je mehr ich über einen Werkstoff in Erfahrung bringe und je umfassender ich ihn charakterisiert habe, desto näher kann ich ans Limit gehen«, erklärt Dr. Jörg Hohe, Gruppenleiter Verbundwerkstoffe im Geschäftsfeld Bauteilsicherheit und Leichtbau am Fraunhofer IWM. Sein Team untersucht Verbundwerkstoffe mit Polymer-, Keramik- oder Metallmatrix hinsichtlich ihres Einsatzverhaltens, um so Kosten bei der Material- und Bauteilentwicklung einzusparen.

Das Problem: Selbst innerhalb einer Charge gleicht kein Bauteil dem anderen zu 100 Prozent, es gibt immer produktionsbedingt Schwankungen. Viele Verbundwerkstoffe und feste Schäume besitzen zudem eine besonders ungeordnete Mikrostruktur und zeigen deshalb ein stark streuendes Materialverhalten. Doch bei sicherheitskritischen Bauteilen etwa in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Bau oder beim Wasserstofftransport darf man sich hinsichtlich Materialeinsatz nicht am Mittelwert orientieren, sondern muss das Streuband berücksichtigen. Also doch lieber etwas mehr Material, um auf der sicheren Seite zu sein? »Das führt meist zu einer Überdimensionierung und damit zu einer schlechten Ausnutzung des Leichtbaupotenzials«, sagt Hohe.

Numerische Simulation

Um die Streuung im Materialverhalten besser und kosteneffizienter vorherzusagen, wurden am Fraunhofer IWM Verfahren zur numerischen Simulation von Verbundwerkstoffen und -bauteilen entwickelt, die eine Vorhersage der zu erwartenden Schwankungsbreite erlauben. Hohe: »Wir gelangen dank der Simulation auch an Daten, die man experimentell nicht direkt erfassen kann, beispielsweise an Stellen, die für eine Messung nicht zugänglich sind.«

Naturfaserverstärkte Kunststoffe

Nur neidvoll auf die Schwankungsbreite eines CFK blicken hingegen all jene, die sich mit naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) beschäftigen und mit der Frage, inwiefern diese als Ersatz für erdölbasierte Kunststoffe dienen könnten. NFK entziehen sich den etablierten Modellen und Prozessen gleich auf mehrere Weisen, »sie sind zum einen weniger homogen und bringen zum anderen spezielle Eigenschaften hinsichtlich Feuchteaufnahmen und thermischer Stabilität mit«, listet Dr.-Ing. Christian Beinert auf, Abteilungsleiter Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung beim Fraunhofer LBF.

Im Projekt COOPERATE, gefördert vom BMWK, wollen Forschende des Fraunhofer LBF herausfinden, wie sich Biopolymer-Komposite im Leichtbau einsetzen lassen. »Im Zentrum unserer Forschung stehen derzeit mechanisch besonders stark beanspruchte Kraftfahrzeugteile«, erklärt Projektleiter Georg Stoll. »Wir wollen CO₂ einsparen, indem wir zum einen Polymere aus erdölbasierter Produktion durch biogene Kunststoffe ersetzen, also solche, die etwa aus Leinöl oder anderen nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden.« Und zum anderen gehe es darum, davon möglichst wenig zu verwenden. »Durch die Kombination dieser Maßnahmen – Material-Substituierung und Materialeinsparung – erwarten wir eine Reduktion von bis zu 75 Prozent des bisherigen CO₂-Fußabdrucks.«

Eine große Hilfe erhoffen sich die Forschenden von der Entwicklung neuer digitaler Berechnungsmethoden: »Wir betrachten dabei nicht nur die finale Form des Bauteils, sondern auch, wie sich das Bauteil im Herstellungsprozess mit Material füllt, welche Orientierung der Fasern sich dabei ergeben und welche lokalen Materialeigenschaften dadurch entstehen«, so Stoll. Das Design und die Produktionsprozesse sollen so gestaltet werden, dass das Material dank der Ausrichtung der Fasern an den Stellen mit der höchsten Belastung auch die größte Festigkeit und Steifigkeit ausprägt. Die dafür passenden Modelle zu entwickeln, sei ein entscheidender Hebel für den Leichtbau, ergänzt Dr.-Ing. Felix Dillenberger, als stellvertretender Abteilungsleiter Kunststoffverarbeitung und Bauteilauslegung verantwortlich für das Forschungsfeld Mechanik und Simulation beim Fraunhofer LBF: »Je besser man das Produktionsgeschehen und das Materialverhalten digital abbilden und optimieren kann, desto mehr Material kann man letztendlich einsparen.«

In dem Verbundvorhaben LowCarboVan arbeitet das Fraunhofer LBF konkret daran, NFK in der Verkleidung eines klassischen Reisemobils einzusetzen. »Durch steigende Ansprüche an den Komfort wird diese Fahrzeugklasse immer größer und aufwendiger konstruiert«, erklärt Projektleiter Felix Dillenberger. »So langsam kommt man nun an die Grenzen dessen, was mit einem normalen Autoführerschein erlaubt ist. Deshalb hat auch die Industrie ein großes Interesse an einer Leichtbau-Version.«

Gerade bezüglich der Verminderung der Feuchteaufnahme der verwendeten Flachsfasern in der jeder Witterung ausgesetzten Außenverkleidung kann das Forschungsprojekt technische Lösungen entwickeln, die interessant sein werden für eine Vielzahl anderer Einsatzmöglichkeiten von NFK. Ziel ist, dass bereits 2024 ein Reisemobil mit weniger Gewicht und Naturfasern in der Außenverkleidung als Demonstrator existiert und sich auf den Weg macht in Richtung Serienfertigung.

Leichtigkeit gewinnen durch innovative Produktionsverfahren

Wie wird aus einem leichten Material ein Leichtbauteil – also eines, das es der verarbeitenden Industrie leicht macht, ihre gewohnten Werkstoffe und Verfahren einzutauschen gegen Alternativen? Mit dem sogenannten Pultrusionsverfahren etwa lassen sich endlosfaserverstärkte Kunststoffprofile – wenig Gewicht, hohe Belastbarkeit – effizient und preiswert herstellen. Hierfür werden Glas- oder Carbonfasern mit Kunststoff getränkt, durch ein beheiztes Werkzeug gezogen und ausgehärtet. »Es ist ein Verfahren, das hochautomatisiert ist und mit dem wir hohe Stückzahlen erreichen können, so dass es auch für die Serienproduktion geeignet ist«, sagt Maschinenbau-Ingenieurin Elisa Ruth Bader, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU.

Neben der Herstellung gerader Profile können am Fraunhofer IWU inzwischen auch gebogene Strukturen gefertigt werden (Radius-Pultrusion). Von Vollprofilen bis hin zu komplexen Mehrkammer-Hohlstrukturen lassen sich zudem viele Formen realisieren. Auch an der Produktion von Hybrid-Profilen – Kombinationen aus faserverstärkten Kunststoffen sowie anderen Materialien – wird am Fraunhofer IWU geforscht sowie daran, sogenannte FGL-Drähte zur Dehnungsmessung in die Profile einzuziehen und damit ein sensorisches Upgrade der Profile darzustellen. Bader ist überzeugt: »Pultrusion ist ein Verfahren, in dem noch viel Potenzial für den Leichtbau steckt.«

Für das Leitprojekt ALBACOPTER, das vom Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI koordiniert wird und bei dem sechs Fraunhofer-Institute ihr Wissen einbringen in die Entwicklung eines besonders leichten, nachhaltigen und aerodynamisch günstigen Drohnenkonzepts, wurden am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Pultrusionsprofile entwickelt, die aus faserverstärktem Thermoplast bestehen und für die Rahmenstruktur der Flugplattform verwendet werden. Bei der Transportbox der Drohne setzen die Forschenden auf die Monomaterial-Sandwichbauweise. »Dies ermöglicht eine hervorragende Rezyklierbarkeit am Ende der Lebensdauer, da die Box zwar aus mehreren Schichten – darunter auch Schaumschichten - bestehen, aber doch nur ein einziger Kunststoff verwendet wurde«, betont Michael Wilhelm, Gruppenleiter Strukturleichtbau am Fraunhofer ICT. Die Idee ist, dass ein derartiges Fluggerät eines Tages in Städten beispielsweise autonom Waren ausliefern könnte.

Wilhelm arbeitet außerdem an der Weiterentwicklung des Pultrusionsverfahrens. Im Zentrum seiner Forschung steht das Monomer Caprolactam, die Basis von Polyamid 6. »Das Monomer ist so flüssig wie Wasser«, erklärt Wilhelm. »Dadurch lassen sich Verstärkungsfasern, etwa Glas- oder Carbonfasern, sehr gut durchtränken und werden bestens imprägniert.« Die thermoplastische Matrix ermögliche zudem ein nachträgliches Verformen oder thermisches Fügen der Teile. »Und am Ende des Lebenszyklus«, betont Wilhelm, »lässt sich das Material einfach zerkleinern und im Spritzguss einer neuen Anwendung zuführen – mit dem Vorteil, dass die Materialeigenschaften kaum limitierter sind als die von Spritzguss-Neuware. Das ermöglicht eine sehr einfache Kreislaufführung.«

Die Herausforderung dabei: Aufgrund der geringen Zähflüssigkeit von Caprolactam werden spezielle Werkzeuge und Verarbeitungsmaschinen benötigt. Im Projekt CaproPULL hat ein Konsortium aus dem Fraunhofer ICT und mehreren Wirtschaftspartnern dafür die in-situ-Pultrusion grundlegend entwickelt, wodurch das Monomer nun robust zu endlosfaserverstärkten thermoplastischen Profilen verarbeitet werden kann. Zum Einsatz kommen könnten solche Profile beispielsweise in der Automobilindustrie als lokale Verstärkungen, glaubt Wilhelm. Aber auch der Bausektor sei ein potenzielles Einsatzfeld, denn: »Anders als Stahl korrodieren die faserverstärkten Kunststoffe nicht«, erklärt der Experte. »Dies könnte die Lebensdauer von Bauwerken wie etwa Brücken deutlich verlängern.«

Und was ist mit dem 3D-Druck als Game Changer im Leichtbau?

Die additive Fertigung ist schließlich gut geeignet, um auch komplexe Geometrien mit Hohl- und Innenstrukturen zu erzeugen, und so Material und Masse einzusparen. Dieser Frage gehen Forschende der Fraunhofer-Institute LBF und IWU in dem Verbundprojekt ECO₂-LInE mit weiteren Industriepartnern nach. Aufgabe ist, naturfaserverstärkte Kunststoffbauteile zu entwickeln, mit denen sich zum einen Metallkonstruktionen ersetzen lassen und die zum anderen für das besonders schnelle additive Druckverfahren SEAM geeignet sind. »So wollen wir nachhaltige Komponenten für die Innen- und Außenanwendung in Fahrzeugen herstellen – egal, ob Auto, Bus oder Zug«, sagt Felix Dillenberger vom Fraunhofer LBF. »Das 3D-Drucken ermöglicht uns im Bauteil-Design viel mehr Freiheitsgrade als etwa der Spritzguss.«

Metalle additiv verbinden

Manchmal allerdings muss es einfach Metall sein. Bedeutet das zwingend auch viel Masse? In dem von der EU geförderten Projekt MADE-3D (»Multi-Material Design using 3D Printing«) forscht das Fraunhofer IGCV als Teil eines internationalen Expertenteams seit Januar 2023 daran, wie sich leistungsfähige und doch leichte Multimaterial-Bauteile herstellen lassen.

»Wir wollen Metalle additiv miteinander verbinden, sodass ihre besonderen Eigenschaften bestmöglich genutzt werden können«, erklärt Christopher Singer vom Fraunhofer IGCV. Die Idee der Legierung, also der Kreation von Werkstoffen, die aus mindestens zwei Elementen bestehen, ist entscheidend für den Leichtbau, da so die Talente ihrer Einzelbestandteile erhalten bleiben, aber das bei weniger Gewicht. Teure Metalle wie Titan müssen so zudem nur dort integriert werden, wo ihre Funktion von Bedeutung ist. »Als Verfahren betrachten wir vor allem das Laserstrahlschmelzen sowie das Laserauftragsschweißen – beides additive Technologin, mit denen sich auch ausgefallene Strukturen fertigen lassen und mit deren Hilfe sich die einzelnen Metalle gezielt in die Legierung einbringen lassen.«

Der Einsatz von maschinellem Lernen soll dabei helfen, schneller zu idealen Materialdesigns für bestimmte Anwendungsfelder zu kommen – und so durch die Verwendung leichterer Metalle, durch geringeren Materialeinsatz sowie Individualisierbarkeit der Funktionen eine Gewichtseinsparung einzelner Bauteile von bis zu 50 Prozent bringen.

Verbindung von Metallen und faserverstärkten Kunststoffen

In der Verheiratung von Metallen mit faserverstärkten Kunststoffen übt sich das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS. Beide Materialien einfach zu verkleben, sei nicht der richtige Ansatz, erklärt Jana Gebauer, Forscherin am Fraunhofer IWS: »Klebstoff muss nicht nur lange aushärten, sondern altert auch, was die Lebensdauer der Bauteile verkürzt.« Forschende am Fraunhofer IWS haben deshalb alternative Lösungen erarbeitet, um Metalle und FKV zu verbinden. In einer davon erhält der Kunststoffverbund mittels Thermischem Spritzen eine Schutz- und Funktionsschicht aus Metall. Der Trick dabei, so Jana Gebauer, ist die Vorbehandlung des Kunststoffs: »Eine raue Oberfläche allein reicht für diesen komplexen Spannungszustand nicht aus. Es bedarf einer Laserstruktur, um das heiße Metall mit dem kalten FKV zuverlässig zu vereinen.« Gepulste Laserstrahlung legt in einem ersten Schritt punktgenau und schonend die Fasern in der Kunststoffmatrix frei, auf denen die Spritzpartikel Halt finden. Zusätzliche Vertiefungen wirken wie eine Klammer oder ein Klettverschluss.

»Da das Thermische Spritzverfahren sich für eine Vielzahl von Materialien eignet, ist die Technologie auch skalierbar für andere Funktionen und Branchen«, weiß Gebauer. In dem BMBF-Verbundprojekt CHIMERA wird dieses Verfahren aktuell eingesetzt, um ein Batteriegehäuse mit elektromagnetischer Abschirmung zu entwickeln. Die ebenfalls am Fraunhofer IWS entwickelte Technologie HPCi® zum Verbinden von Metall und Kunststoffen mittels thermischem Direktfügen hat als Fügezange bereits den Transfer in den Karosserie- und Flugzeugbau geschafft.

Laserwalzschweißen

Ein anderes, ebenfalls am Fraunhofer IWS entwickeltes Leichtbau-Konstruktionsprinzip ist das sogenannte Laserwalzschweißen. »Damit können wir Leichtbauplatten schnell und kostengünstig herstellen – und das besonders langlebig sowie ganz ohne Klebstoff, was das Recycling erleichtert«, erklärt Andrea Berger, Forscherin am Fraunhofer IWS. Im Kern der Sandwich-Paneele befindet sich eine leichte Hohlkammerstruktur aus Metall, auf die dann beidseitig dünne Bleche fixiert werden. Diese werden über zwei Walzen auf die Innenstruktur abgerollt, während ein gescannter Laserstrahl oben und unten blitzschnell und punktgenau die Metalloberfläche im Walzspalt erhitzt. Walzen pressen die Sandwich-Bestandteile dann so fest aufeinander, dass diese sich dauerhaft verbinden. »Da es sich um ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren handelt, erzielen wir eine sehr hohe Produktionsgeschwindigkeit«, so Berger. »Dass außerdem der Energieeintrag sehr gering ist, macht das Verfahren interessant für die Industrie, etwa für den Schiffs- oder Hallenbau.«

Leichtigkeit gewinnen durch smartes Design

Die Batterie eines Elektroautos hat Gewicht: Bei Kleinstwagen wiegt sie etwa 250 Kilogramm, bei größeren Limousinen können es bis zu 700 Kilogramm sein. Das XXL-Modell garantiert eine höhere Reichweite, hat aber ein anderes Problem: Je größer die Traktionsbatterie ausfällt, desto höher ihr ökologischer Fußabdruck. Dieses Optimierungspotenzial in Sachen Nachhaltigkeit will das Fraunhofer IWU mit intelligentem Design heben. Im Projekt CoolBat, gefördert vom BMWK und in Kooperation mit den Fraunhofer-Instituten für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, für Schicht- und Oberflächentechnik IST und für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI, soll das Batteriegehäuse neu designt werden. Es gehe darum, »erforderliche Funktionen mit einer reduzierten Anzahl an Einzelkomponenten und mit weniger, dafür gut demontierbaren Schnittstellen unterzubringen«, erklärt Projektkoordinator Rico Schmerler, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IWU. So sollen etwa Temperierkanäle in die Tragstrukturen integriert werden. Aluminiumschaum in der Bodenplatte trägt in Kombination mit Phasenwechselmaterial zur Kühlung der Batterie bei und verstärkt gleichzeitig den Schutz bei Unfällen, da er in der Lage ist, Aufprallenergie zu absorbieren.

Ziel von CoolBat ist eine Erhöhung der Reichweite sowie des Ladetempos »und zugleich die Einsparung von 15 Prozent des emittierten CO₂ pro Gehäuse über den gesamten Lebenszyklus hinweg«, erklärt Schmerler. Möglich wird das durch den ganzheitlichen Ansatz des Projekts: »Alle Ideen werden geprüft und bewertet hinsichtlich einer möglichen CO₂-Einsparung durch eine bessere Material-, Technologie- oder Fertigungsauswahl.«

Resümee

»Das Potenzial der Leichtbautechnologie ist noch lange nicht ausgeschöpft«, zeigt sich Prof. Alexander Böker, Leiter des Fraunhofer IAP, überzeugt. »Die Entwicklung neuer Materialien, Fertigungsmethoden und Anwendungen kann die Effizienz noch deutlich steigern und den ökologischen Fußabdruck noch stärker reduzieren.« Die Transformation in Richtung Leichtbau bringe für einige Industrien große Herausforderungen mit sich, etwa hohe Kosten, Sicherheitsanforderungen oder die Notwendigkeit, bestehende Produktionsprozesse anzupassen. »Trotzdem ist der Leichtbau ein wichtiger Schritt hin zu einer nachhaltigeren Zukunft«, betont Böker. »Und die meisten Branchen werden sich in diese Richtung bewegen müssen, um wettbewerbsfähig zu bleiben.«