Die Zukunft wird leichter: Leichtbautrends in Aerospace, Automotive & Co.

Leichtbautrends: Einsatz von Faserverbundmaterialien (CFK, GVK etc.)  in neuen Branchen

Mittlerweile besteht die Außenhaut des Boeing-Dreamliners zu 60 Prozent aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen. Und das Interesse an faserverstärkten Materialien steigt weiter kontinuierlich, auch in Branchen außerhalb der Luft- und Raumfahrt.

 

Der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen mit duroplastischer und auch mit thermoplastischer Matrix verspricht in vielen anderen Bereichen eine Optimierung von Bauteilen hinsichtlich des Gewichtes bei gleichen, wenn nicht sogar besseren physikalisch-mechanischen Eigenschaften als konventionell eingesetzte Materialien (Stahl, Aluminium etc.).

Leichtbau erobert neue Branchen

CFK: Bedarf an Carbonfasern nach Branchen und Prognose für 2021. Wachsender Bedarf an Carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) wird in der Grafik deutlich.

Neue Technologietreiber sind die Bereiche Automotive, erneuerbare Energien (Rotorblätter von Windenergieanlagen), Architektur, Maschinen- und Anlagenbau. So sind vor allem innovative Leichtbaukonzepte im Verkehrswesen aufgrund des zunehmend an Relevanz gewinnenden Aspektes einer ganzheitlichen CO2-Bilanz von Verkehrsmitteln gefragt. Beispiele sind die BMW i-Serie mit einem Monocoque aus einem einzigen CFK-Bauteil oder der VW XL1 mit einer aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gefertigten Karosserie. Schätzungen gehen davon aus, dass die Automotive-Branche den Bedarf an CFK den der Flugzeugbauer überholen wird und sich im Vergleich zu 2014 verdreifachen wird (siehe Grafik).

 

Im Schienenfahrzeugbau löste eine neu konstruierte Adapterkupplung aus CFK ein ganz konkretes Problem: Der herkömmliche Adapter aus Stahl war beim Kuppeln mit 48 kg so schwer, dass zwei Bahnarbeiter diese handhaben mussten. Mit einer von VOITH Scharfenberg entwickelten CFK-Adapterkupplung wurde das Gewicht auf nur 24 kg reduziert, sodass sie jetzt nur von einer Person verwendet werden kann. Und das bei nahezu gleichen technischen Kennwerten.

Wachsender Einsatz langfaserverstärkter Verbundwerkstoffe

Zum heutigen Zeitpunkt ist der Einsatz von langfaserverstärkten Verbundwerkstoffen wie GFK und CFK ein fester Bestandteil bei Leichtbaustrukturen, die im Kleinserienmaßstab gefertigt werden. Darüber hinaus steigt der Anteil an CFK-Strukturen seit über 20 Jahren im Großflugzeugbau kontinuierlich an, da hier das eingesparte Strukturgewicht mit einem erheblichen wirtschaftlichen Vorteil einhergeht.

Wettbewerbsfähigkeit neue Fertigungsverfahren für Composite-Strukturen

In den letzten Jahren wurden die Fertigungsverfahren wie RTM (Resin Transfer Molding) oder Presstechnik für Faserverbundstrukturen immer weiter optimiert, wobei in einzelnen Fällen das Ziel einer vollautomatischen Bauteilfertigung bereits realisiert werden konnte. Vor diesem Hintergrund rückt die ganzheitliche Wirtschaftlichkeit eines faserverstärkten Werkstoffes in greifbare Nähe, so dass diese Werkstoffe zunehmend in der Serienfertigung von einigen 10.000 Teilen pro Jahr zum Einsatz kommen – ein weiterer Meilenstein für die Leichtbautechnologie.

Multi-Material-Mix im Leichtbau: Zukunftsmodell und Herausforderung zugleich

In den meisten Branchen gilt der Multi-Material-Grundsatz, d. h. für jede spezifische Anwendung wird der dafür am besten geeignete Werkstoff eingesetzt, sofern dies aus technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Sicht vertretbar ist. Damit haben weitere Werkstoffe wie Aluminium, Magnesium und faserverstärkte Kunststoffe wieder größeres Interesse gefunden. Mit dem zunehmenden Einsatz von faserverstärkten Leichtbauwerkstoffen geht ein tiefes Verständnis für die komplexen Zusammenhänge bei Mischbauweisen aus metallischen Werkstoffen und Faserverbundwerkstoffen, sogenannte Composite-Metall-Hybride, zwingend einher. So können elektrochemische Vorgänge die Korrosion des metallischen Werkstoffes im direkten Kontakt mit CFK beschleunigen.

 

Darüber hinaus sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten von faserverstärkten Werkstoffen in der Regel deutlich geringer als die der metallischen Leichtbauwerkstoffe. Diese beiden Gegebenheiten beeinflussen die Gestaltung der Verbindungszone insbesondere dann, wenn CFK mit Aluminium verbunden werden soll. Dennoch liegt in den Hybridbauweisen ein enormes Zukunftspotenzial. Gleichzeitig sind aber noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Dabei kommt beispielsweise der Fügeverbindung zwischen artgleichen Materialien und insbesondere zwischen zwei unterschiedlichen Werkstoffen eine zentrale Rolle zu.

Grenzen neuer Materialkombinationen

Aber wo sind die Grenzen neuer Materialkombinationen? Wie können Faserverbundmaterialien mit der höchsten Effizienz in Anbetracht der Vielzahl an unterschiedlichen Verarbeitungsverfahren verarbeitet werden? Lassen sich die Herstellungskosten noch minimieren? Ist es möglich, Fehler während des Herstellungsprozesses bzw. hinterher am Bauteil zu erkennen? Wie sieht es mit Reparaturmöglichkeiten und Recycling aus?

 

Diese Fragen stellen sich Akteure, die vor der Entscheidung stehen, diese neuen Materialien strategisch einzuplanen, wenn das grundlegende Verständnis für das Material und seine Eigenschaften fehlt. Es ist nicht einfach damit getan, Bauteile aus Metall komplett in Carbon herzustellen, denn das sogenannte „Black Metal“ wird nie in der Lage sein, die geforderten Herstellkosten zu erreichen.