CFK-Replacement: Neue Marktchancen durch Materialsubstitution

Carbon für zukunftsfähige Produktentwicklungen nutzen

Carbonträger, Foto: carbonblog.de

Was ist eigentlich "CFK-Replacement"?

Grundsätzlich bezeichnet "CFK-Replacement" den Austausch beziehungsweise das Ersetzen von Bauteilen aus klassischen Metallen (Edelstahl, Aluminium u. ä.) oder Kunststoffen (zum Beispiel PVC), durch Rohre, Platten, Stäbe und andere Bauteile aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK). Das Ziel ist es, mithilfe des neuen Kunststoffes und dessen vielfältigen erwünschten Materialeigenschaften neue Produkteigenschaften zu erzielen oder Maschinen beziehungsweise ganze Anlagen effizienter arbeiten zu lassen.

 

Szenarien für Substitution durch Carbonfasertechnologie

Die Ausgangssituationen für ein Replacement mit Carbonfasermaterialien ähneln sich oft: Ein Monocoque im PKW soll leichter werden (geringere Gesamtmasse führt zu geringerem Kraftstoffverbrauch), eine Maschine soll kompaktere Abmessungen erhalten oder der Output durch eine höhere Taktrate soll den Output steigern. Die Eigenschaften von Bauteilen aus Kohlefaser bieten bisher kaum genutzte (oder nicht bekannte) Chancen nicht nur im Anlagen- und Maschinenbau, sondern auch für eine Vielzahl von Branchen und Anwendungen.

 

In welchen Branchen/Industrien ist CFK-Replacement relevant?

Im Flugzeugbau sind Carbonfaserbauteile aufgrund ihrer Zugfestigkeit, Korrosionsfestigkeit und Torsionsfestigkeit sowie guter Resistenz gegen äußere Witterungseinflüsse gefragt. Höhepunkt dieser Entwicklung ist bisher der A380, dessen Außenhaut zu über 60 Prozent aus Carbonfasermaterial besteht. Daneben spielt CFK-Replacement zum Beispiel in den folgenden Bereichen eine Rolle:

  • Maschinenbau bzw. Anlagenbau (Präzisionsrollen, Antriebswellen)
  • Medizintechnik (Röntgenresistente Bauteile)
  • Automotive (Antriebsstränge, 4-Kantprofile)
  • Aviation (Leitwerke)
  • Windenergieanlagenbau (Rotorblätter)
  • Prototypenbau (Modellkonstruktion)

Weitere Industrien entdecken nach und nach, welche Optionen ihnen das CFK-Replacement bietet. Die nachfolgende Darstellung zeigt einen kleinen Auszug erfolgreicher Replacement-Projekte, in denen herkömmliche Metalle in Bauteilen durch Carbon-Replacement zur Produktoptimierung durchgeführt wurden:

Praxis-Beispiele erfolgreicher CFK-Replacement-Projekte
Carbonfrästeil, Foto: carbonblog.de
Carbonrohr, Foto: carbonblog.de

Konstruktives Neuland erschließen ab Losgröße 1

Die obigen Anwendungsfälle sind nur ein kleiner Auszug aus einer Fülle neuer Konstruktionsmöglichkeiten, die der Carbonfaserleichtbau ermöglicht. Hier ist technologisches Neuland konstruktiv zu erschließen – abseits bekannter und etablierter Einsatzfelder in Aviation (Airbus A380 Flugzeugbau) oder Automotive (Leichtbaukarosserie in Formel1, BWMi3/BMWi8). Entwicklungsingenieure nutzen das CFK-Replacement aktuell zum Beispiel

  • im Prototypenbau,
  • im Modellbau und
  • bei der Mini-Serienfertigung in kleinsten Stückzahlen - ab Losgröße 1

Daneben werden neue Automatisierungslösungen in der Prepreg-Technologie auch für höhere Stückzahlen stetig weiterentwickelt– wie BMW es etwa für die Fertigung des Monocoque der Elektrofahrzeuge der i-Modellreihe nutzt.

 

Die Gretchenfrage: Kosten beim Ersetzen von Metallen durch Carbonfasermaterialien

Hier ist die Kosten/Nutzen-Abwägung der Gradmesser: Carbonfaserbauteile sind zugegebenermaßen im Vergleich mit anderen Leichtbaumaterialien wie Aluminium mit höheren Beschaffungskosten verbunden. Auf lange Sicht sind die Vorteile aber evident, denn strategische und kosteneffiziente Überlegungen sichern Herstellern gegenüber ihren Mitbewerbern eine nachhaltig bessere Position am Markt. Denn:

  • bestehende Produkte können neu gedacht und in ihren Eigenschaften verbessert werden
    • Funktionserweiterung (siehe oben: Röntgentransparenz)
    • Energieeinsparung (durch starke Gewichtsreduzierung)
    • Erhöhung der Widerstandsfähigkeit
  • herkömmliche Leichtbaumaterialien verfügen nicht über die Festigkeit und Torsionsfähigkeit
  • Bauteile können optisch veredelt werden, z. B. mit Carbonfaser-Folien auf Armaturenbrett

Die Kostenfrage muss somit immer im Zusammenhang mit nachfragerelevanter Produktoptimierung gedacht werden, mithin ist die zu erzielende, verbesserte Markt- und Wettbewerbssituation den zunächst vergleichsweise höheren Herstellkosten gegenüberzustellen. Dies verlangt ein umfassendes Verständnis für die bereits nutzbaren technischen Optionen, die das CFK-Replacement schon heute bietet.

Referent Markus Kreuzer über CFK-Replacement und neue Marktchancen
Markus Kreuzer

Wer von den neuen Materialien profitiert

All diejenigen, die gefordert sind, innovativ zu entwickeln, profitieren potenziell von CFK-Replacement: Sie können dem eigenen Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil verschaffen. Wer die neuesten konstruktiven Techniken kennt, kann durch den Austausch von Werkstoffen wie Alu, Edelstahl und Kunststoff die vorteilhaften Eigenschaften der Kohlefaser nutzen. Nicht nur in der Formel 1 ist Geschwindigkeit Trumpf: Wer den effizienteren Frontflügel konstruiert oder das letzte halbe Kilo Gewicht reduziert hat, verschafft sich einen messbaren Vorsprung gegenüber einem noch nicht so „pfiffigen“ Rennstall.

 

 


 Autor: Markus Kreuzer