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Faserverbundwerkstoffe bessern Ressourceneffizienz

Leichtbau gibt es schon lange. Vor allem der Flugzeugbau hatte früh begonnen, den Spritbedarf durch Gewichtsreduktion zu senken. Man setzte zunehmend carbonfaserverstärkte Kunststoffe ein. Heute treibt die Autoindustrie den Leichtbau voran, und sie ist selber getrieben: Sie muss die Schadstoffemission drastisch reduzieren. CFK sind Mittel zum Zweck.

Die EU schreibt eine schrittweise Verringerung des Ausstoßes von CO2 bis 2030 vor. Bis 2020 muss er auf durchschnittlich 95 Gramm je Kilometer begrenzt werden. Bei Nichterreichen der Ziele drohen harte Strafen. „Das Sparpotenzial durch Leichtbau ist enorm. Vom gesamten Verbrauch der heutigen Fahrzeuge entfallen circa 22 % 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 begrenzt. Im Leichtbau dagegen stehen wir erst am Anfang“, sagt Graf. Allerdings ist von 2010 bis heute schon viel geleistet worden. So ist es 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 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. 

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 Egger. 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- und 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.

Recycling aber problematisch

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 Carbonfaser-Gelegen. Carbonfaser-Konstruktionen sind gegenüber üblichen Stahlbewehrungen deutlich leichter und hinsichtlich der Tragfähigkeit wesentlich leistungsfähiger. Carbonfaser-verstärkter 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 etwa 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.

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. Carbonfaser-verstärkte 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.

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