Die Automobilindustrie ist seit Jahrzehnten bemüht, Fahrzeuge leichter zu machen. Nichtsdestotrotz bringt ein Mittelklasse-wagen immer noch mehr als eine Tonne auf die Waage. Woran liegt das?

Leichtbau ist nicht erst ein Thema der vergangenen zehn Jahre. Schon in den Vierzigerjahren wurden Teile des VW Käfers aus Magnesium gefertigt. Leichtbau hat den Menschen immer wieder beschäftigt – aus gutem Grund. Es gibt eine ganz einfache Gleichung: Kraft ist Masse mal Beschleunigung. Und was interessiert uns beim Autofahren in besonderer Weise? Die Beschleunigung. Diese lässt sich durch zwei Parameter erhöhen: Man kann die Kraft hochsetzen – also immer stärkere Motoren einbauen –, oder man reduziert die Masse. Idealerweise machen wir beides. Wenn wir aber den Energieverbrauch der Fahrzeuge senken wollen, müssen wir vornehmlich die Masse verringern. Ein Aspekt, der insbesondere durch die Ölkrise 1974 Relevanz bekam. Und je weniger ein Fahrzeug verbraucht, desto weniger Kohlendioxid stößt es auch aus.

Was muss man beim Leichtbau beachten?

Dem Thema Leichtbau kann man sich von ganz verschiedenen Seiten widmen. Ein spannender Aspekt –  auch auf unser Institut bezogen – ist die Betriebsfestigkeit. Betriebsfestigkeit hat das Ziel, Bauteile so schwach zu dimensionieren, dass sie garantiert sicher, aber eben gerade so den Betrieb überleben. Also minimaler Werkstoffeinsatz für eine begrenzte Lebensdauer. Heute nennt man das Leichtbau. Viele glauben, wenn sie anstelle von Stahl das Leichtmetall Aluminium einsetzen, ist es Leichtbau. Völliger Quatsch! Aluminium ist zwar leichter als Stahl – es wiegt etwa ein Drittel davon. Allerdings hat Aluminium auch eine deutlich geringere Steifigkeit – ebenfalls ein Drittel – und lässt sich deswegen leichter verformen. Das heißt, um eine zuverlässige Autofelge aus Aluminium zu fertigen, brauche ich mehr Material. Deshalb wiegt eine Aluminiumfelge in der Regel genauso viel wie eine Stahlfelge. Natürlich hat Aluminium auch seine Vorzüge, wenn man alleine nur an die designerischen Aspekte denkt.

Was sind denn »effektive« Leichtbaumaterialien?

Leichtbau ist nicht nur eine Frage des Materials. Entscheidend sind auch die Konstruktion und Gestaltung, die Oberfläche, die Form sowie die  Fertigungstechnik. Beim Werkstoff ist es je nach Designkriterium zum Beispiel wichtig, welche Steifigkeit und Festigkeit er hat. Diese Eigenschaften muss ich in Beziehung zu seinem spezifischen Gewicht, der Dichte, setzen. Es gibt ein riesiges Portfolio an Leichtbauwerkstoffen – bei den Metallen Stahl, Aluminium, Titan oder Magnesium. Dann haben wir die Welt der Faserwerkstoffe: Naturfasern, Kunststofffasern, Glasfasern und künftig die Kohlenstofffasern. Die sind in der Größenordnung eine Zehnerpotenz besser als der Werkstoff Stahl. Allerdings kann ich aus reinen Fasern kein Auto bauen. Der Faden muss in eine Matrix, etwa einen Kunststoff, integriert werden. Solche Polymere haben deutlich schlechtere Eigenschaften als Stahl. Erst verstärkt durch die Fasern ist der Kunststoff dann der neue Leichtbauwerkstoff. Beim Thema Faserverbundwerkstoffe müssen noch zusätzliche Aspekte mitbedacht werden – wie richtungsabhängige Eigenschaften. Es macht einen großen Unterschied, ob ich in Faserrichtung ziehe oder ob ich die Faser drücke. An ein Sprungseil können Sie sich hängen, aber versuchen Sie mal, darauf zu stehen. Und schon kommen die Konstruktion und die Formgebung hinein.

Das heißt, das Auto der Zukunft ist je nachdem, was für ein Bauteil man hat und welcher Belastung es standhalten soll, aus ganz anderen Materialien gefertigt?

Genau. Ein Trend der Zukunft ist der Materialmix oder Neudeutsch: Multi-Material-Design. Bezogen auf den entsprechenden Lastfall gilt es, die beste Materialkombination in die Konstruktion einzubringen.

Werden für Elektroautos neue Leichtbaukonzepte benötigt?

Wichtige Komponenten für Elektrowagen wie die Elektromotoren und Batterien sind schwer. Deshalb muss man das Gewicht insgesamt senken. In der Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität haben wir ein neuartiges Herstellungsverfahren für Spulen von Elektromotoren entwickelt. Die Spulen werden gegossen. Dadurch kann statt Kupfer auch das leichtere Aluminium zum Einsatz kommen. Weiter ist ein Leichtbau-Batteriekasten für Lithium-Ionen-Akkus entstanden. Ein Rad aus kohlenstoff-faserverstärktem Kunststoff hilft, das Gewicht zu reduzieren. Alles Beiträge zum Leichtbau. Wesentliche Einsparungen lassen sich aber bei der Karosserie erzielen, die etwa 40 Prozent des Fahrzeuggewichts ausmacht.

Adaptronik gilt als ein wichtiger Schlüssel für Leichtbaukonzepte ...

Adaptronik und Leichtbau sind zwei Dinge, die man eigentlich gar nicht entkoppeln kann. Denn Leichtbau hat einen Nachteil: Ich habe wenig Masse, und das bedeutet erhöhte Vibrations- und Lärmprobleme. Die Frage ist also, wie lässt sich die Schwingungsempfindlichkeit reduzieren. Und da kommt die Adaptronik ins Spiel. Aktoren, Sensoren und Regelung bringen eine strukturkonforme Intelligenz ins Bauteil hinein, um entsprechende Schwingungsneigungen zu beeinflussen.

Die Fraunhofer-Gesellschaft hat eine Allianz zum Thema Leichtbau gegründet. Welche Forschungsschwerpunkte werden dort bear­beitet?

In der Allianz haben wir die Kompetenzen ganz unterschiedlicher Institute gebündelt. Dem Zusammenschluss gehören verschiedene Werkstoffinstitute an, die ihr Know-how in den Bereichen Kunststoff, Keramik, Metalle beziehungsweise Faserverbundwerkstoffe einbringen. Was passiert, wenn Versagensmechanismen auftauchen – etwa ein Riss oder ein Bruch? Diese Fragestellung untersuchen Institute, die über Kompetenzen in der Werkstoffmechanik verfügen. Die produktionstechnischen Institute bearbeiten unter anderem folgende Fragen: Wie verarbeite ich einen Werkstoff? Welche Fügetechnik lässt sich nutzen? Wie müssen Bauteile konstruiert sein, um sicher und zuverlässig zu funktionieren? Wichtige Aspekte sind auch das Handling und der produktionstechnische Prozess. Fraunhofer kann mit seinen verschiedenen Instituten die gesamte Wertschöpfungskette abbilden – vom Design auf Molekülebene über die Werkstoffmechanik und die Konstruktion der Bauteile bis hin zur Produktionstechnik. Aktuelle Forschungsergebnisse stellt die Allianz auf einer Leichtbaukonferenz am 31. Januar und 1. Februar in Darmstadt vor.

Ein Material, das in jüngster Zeit für Furore sorgt, ist Carbonfaserverstärkter Kunststoff, kurz CFK. In der Formel 1 wird das Material bereits eingesetzt; im Serienbau bisher kaum. Woran liegt das?

In meiner beruflichen Karriere erlebe ich bereits die dritte Renaissance dieser Werkstoffe. Und mein Doktorvater – ich habe auf dem Gebiet der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe promoviert – hatte auch schon drei Renaissancen mitgemacht. Mindestens sechsmal dachte man also schon: Jetzt kommt der Durchbruch. Keine Frage: Die kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe verfügen über ein riesengroßes werkstoffliches Leichtbau-Potenzial. Und sie besitzen eine unheimlich hohe Schadenstoleranz. Die Nachteile: CFK sind in der Fertigungstechnik schwer zu handhaben und beim Recycling schlecht. Arbeitet man auf Epoxidharzbasis, müssen die Kunststoffe polymerisieren, und das dauert eine gewisse Zeit. In der automobilen Großproduktion werden aber pro Tag zig-tausend Bauteile benötigt. Der langsame Fertigungsprozess und der Bedarf passen hier noch nicht zusammen.

Gibt es weitere Nachteile?

Der Preis. Die Ausgangs-Substanzen für CFK sind sehr teuer. Und auch der langsame Fertigungsprozess kostet viel Geld. So kann am Ende ein CFK-Bauteil etwa zehnmal so teuer sein wie ein Werkstück aus Stahl oder Aluminium. Auch wenn die Qualität besser ist, findet man für diesen Preis kaum Abnehmer außer in der Formel 1 oder in Bereichen, wo der Verbraucher bereit ist, für das Mehr an Leistung auch mehr zu bezahlen: Es gibt zum Beispiel Radfahrer, die einen Rahmen aus CFK haben wollen, es gibt Tennis- und Golfschläger, Segelyachten und sogar Violinenbögen. Und ganz aktuell Flugzeuge.

Wie ist Fraunhofer im Bereich CFK aufgestellt?

Der Fraunhofer-Verbund Werkstoffe, Bauteile hat bereits vor fünf Jahren dazu ein internes Strategiepapier erstellt. Dort wurde analysiert, welche Stärken Fraunhofer in diesem Bereich hat. Wo ist Fraunhofer noch nicht stark, müsste es aber werden? Wie wird sich der Markt entwickeln? Dabei haben wir zwei Schwerpunkte herausgearbeitet. Einer ist die Entwicklung großvolumiger Bauteile und der dazugehörigen Produktions- und Handhabungstechnik. Im Forschungszentrum CFK in Stade arbeiten Fraunhofer-Forscher nun an neuen automatisierten Montagetechnologien für Bauteile aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen im XXL-Maßstab. Die andere Stoßrichtung sind CFK für Massenprodukte auf thermoplastischer Basis. Daran arbeitet Fraunhofer vor allem in Süddeutschland. So wird in Augsburg die Fraunhofer-Projektgruppe »Funktionsintegrierter Leichtbau« aufgebaut. Darüber hinaus untersuchen wir natürlich in vielen Instituten über die Republik verteilt – je nach entsprechender Kernkompetenz ganz unterschiedliche Fragestellungen: Wie sieht das Crash-Verhalten aus? Was sind Schadensmechanismen, Schadensmodelle? Wie kann man Schadens- und Lebensdauervorhersagen machen? Mit welchen Testphilosophien begegnet man den werkstoffbedingten Herausforderungen? Was ist mit Oberfläche, Lackierbarkeit und Formhaltigkeit?

Was sind aus Ihrer Sicht die nächsten Forschungsschritte, die gemacht werden müssen, damit noch mehr Leichtbau ins Auto kommen kann?

Ein wichtiger Faktor ist die Prozessstabilität. Bei Werkstoffen wie Stahl und Aluminium verfügt man zum Teil über Hunderte Jahre Erfahrung. Wir wissen, wie man mit hoher Reproduzierbarkeit Werkstoffe mit gleichen Eigenschaften herstellt. Bei Faserverbundwerkstoffen haben wir noch keine solchen etablierten Prozesse. Jedes Produkt ist individuell und verhält sich ein bisschen anders als das Vorgängerprodukt. Und das kann man sich in einem zertifizierten und akkreditierten, nach ISO9001 laufenden Betrieb einfach nicht erlauben. Ein weiteres wichtiges Thema ist das Multi-Material-Design. Wie kann ich künftig Produkte mit unterschiedlichen Eigenschaften konstruieren? An einer Stelle benötige ich weiches Material zur Dämpfung, an einer anderen Stelle soll – für mehr Crashsicherheit  – absorbierendes Material eingesetzt werden. Und an einer dritten Stelle will ich steifes Material haben, um einen Gurt anschrauben zu können. All dies in ein Werkstoffkonzept zu integrieren, ist eine der Herausforderungen der Zukunft. Und natürlich muss dem eine durchgängige Modellierungskette hinterliegen, vom Molekül über das Bauteil bis hin zum Systemverhalten.

Das Gespräch führte Birgit Niesing.