Leichtbau im Automobil – ein Überblick

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Haar, 12. Mai 2011 – Praktisch alle Automobilhersteller suchen nach Wegen, ihre Autos leichter und somit sparsamer zu machen. Frühe Highlights waren zum Beispiel der Aluminium-Spaceframe von Audi oder der 3-Liter-Lupo, bei dem VW mit verschiedenen Maßnahmen über 150 Kilogramm Gewicht einsparte. Mittlerweile wird die Vielfalt an Werkstoffen und Fertigungsverfahren immer größer, viel tut sich auch im Bereich faserverstärkter Kunststoffe. Wir haben uns einmal umgeschaut, was die deutschen Autobauer beim Leichtbau bereits tun – und für die Zukunft planen.

Audi setzt (auch) auf Alu

Zu den Ausnahmen von der Regel, dass Autos aus Stahl gebaut werden, gehören der Audi A8 und der R8 – denn die Ingolstädter setzen nach wie vor auf Alu. A8 und R8 haben eine Alu-Karosserie mit Audi Space Frame (ASF), einer Art von dreidimensionalem Alu-Fachwerk. Auch kombiniert kommen Stahl und Alu bei Audi zum Einsatz, zum Beispiel bei den Karosserien des TT, des A7 Sportback und des neuen A6. Im Vergleich zu Stahl ist eine Alu-Karosserie etwa 30 bis 40 Prozent leichter.

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Leichtbau im Automobil – ein Überblick (20 Bilder)

Leichtbau mit carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK): Das Monocoque des Lamborghini Aventador besteht daraus.

Laut Audi hat die CFK-Bauweise Vorteile bei der Energiebilanz, das Recycling eingeschlossen. Bei der Aluminium-Gewinnung aus Bauxit durch Elektrolyse seien zwar große Mengen elektrische Energie nötig. Dafür werde aber vorwiegend saubere und preiswerte Energie aus Wasserkraft verwendet. Der höhere Energieeinsatz werde außerdem durch den geringeren Spritverbrauch ausgeglichen – beim A8 nach 50.000 Kilometern. In Zukunft soll das ASF-Prinzip aber zum Multimaterial Space Frame erweitert werden. Dann will Audi neben Alu und Stahl auch faserverstärkte Kunststoffe verwenden. Die Seitenwände und der Verdeckkasten-Deckel des R8 Spyder bestehen heute schon aus CFK. Der kommende Q7 soll durch eine Kombination von Stahl, Leichtmetall und Faserverbundwerkstoffen gleich 400 Kilo leichter werden.

Fasern in Kunststoff

CFK ist ein Verbundwerkstoff, also ein Werkstoff aus mehreren Materialien. Ein bekanntes Beispiel für diese Materialart ist glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), auch als Fiberglas bekannt. Hier werden Glasfasern in einen flüssigen Kunststoff eingelegt. Aus GFK besteht zum Beispiel die Karosserie der kürzlich präsentierten Studie Smart Forspeed. Keramikbremsen werden ebenfalls aus einem Verbundwerkstoff hergestellt: Dabei werden Kohlenstofffasern in eine Keramik eingebettet. Dominierend im Auto-Leichtbau ist jedoch CFK. Dafür werden Kohlenstofffasern in ein Harz eingelegt.

Bei der Herstellung geht man oft von einer Polyacrylnitril-Faser aus, also einem Kunststofffaden. In einem komplexen Prozess wird aus diesem so genannten Precursor eine Faser, die aus fast reinem Kohlenstoff besteht. Sie ist nur wenige Tausendstel Millimeter dick und damit dünner als ein menschliches Haar. Je etwa 50.000 dieser Fasern werden zu Bündeln – so genannten rovings – zusammengefasst. Diese Bündel werden wiederum zu Gelegen verarbeitet. Anders als bei Textilgeweben werden die Fasern dabei nicht verschränkt oder verwoben, sondern in einer Ebene nebeneinander angeordnet.

Das zugeschnittene, aber noch flache Gelege erhält dann im so genannten Preform-Prozess seine Form. Dabei verleiht ein Heizfeld dem Lagenpaket eine stabile, dreidimensionale Kontur. Mehrere dieser vorgeformten Lagenpakete (Preform-Rohlinge) können dann zu einem größeren Bauteil zusammengefügt werden. Der nächste Schritt ist dann die Harzinjektion. Erst durch das Aushärten des Harzes erhält das Bauteil seine endgültige Form und ist dann so belastbar wie Stahl – bei geringerem Gewicht.

Richtungsfragen

CFK ist bei gleicher Festigkeit ungefähr 50 Prozent leichter als Stahl. Anders als bei Metallen ist CFK aber nicht in alle Raumrichtungen gleich belastbar. Die Festigkeit und Steifigkeit ist quer zur Faserrichtung wesentlich geringer als in Richtung der dünnen Röhren. Deshalb werden die Faserlagen in verschiedenen Richtungen eingelegt. Weil es dabei auf Genauigkeit ankommt, werden die CFK-Matten oft von Hand übereinander geschichtet (Handlaminieren). Oft muss der Werkstoff danach im Autoklaven getempert werden: Er wird unter Druck erhitzt, um eine optimale Stabilität zu erreichen.

CFK wird von Autoherstellern unter anderem für Supersportwagen verwendet. So lässt sich das Leistungsgewicht verringern, und natürlich auch der Verbrauch. Beim Lamborghini Gallardo Superleggera bestehen die Motorhaube und andere Bauteile aus CFK. Einen Schritt weiter geht die italienische Volkswagen-Tochter beim Murciélago-Nachfolger Aventador, der im März auf dem Genfer Autosalon vorgestellt wurde. Im Leichtbauzentrum von Sant‘Agatha Bolognese konnten wir verfolgen, wie einzelne Teile entstehen. Beim Aventador besteht das Monocoque aus CFK – es wiegt daher nur 148 Kilo. Das Fahrwerk sowie Motor und Getriebe sind über Hilfsrahmen aus Aluminium mit dem Monocoque verbunden. Die gesamte Rohkarosserie wiegt 230 Kilo, das gesamte Auto 1575 Kilo – der Vorgänger Murciélago brachte noch 1735 Kilo auf die Waage.

RTM, Braiding und Prepreg

Je nach Form, Funktion und Beanspruchung der Elemente verwendet Lamborghini eine von drei Fertigungsmethoden: Beim RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) werden die Kohlefasermatten mit einer bestimmten Harzmenge getränkt und dann in einer Maschine unter Einsatz von Hitze gehärtet – Handlamination und Autoklavierung entfallen hier.

Verwandt mit dem RTM-Verfahren ist das Braiding. Mit dieser aus der Textilindustrie stammenden Webetechnik für Kohlefaser-Geflecht werden tubusförmige Bauteile gefertigt, etwa für Dachholme. Aufwendiger ist das Prepreg-Verfahren (Preimpregnated fibres, vorimprägnierte Fasern). Es liefert dafür eine gute Oberfläche, sodass sich das Material vor allem für die Außenhaut eignet. Hier werden die Kohlefasermatten schon vom Zulieferer mit Harz getränkt und gekühlt geliefert. Die Matten werden dann in Formen gepresst und bei sechs bar Druck und 135 Grad im Autoklaven gehärtet. Nach Medienberichten dauert das geschlagene fünf Stunden. Bei Lamborghini, wo pro Tag offenbar nur drei CFK-Modelle entstehen, mag das angehen, aber für eine wirkliche Massenfertigung mit kurzen Taktzeiten wäre dies wohl kaum machbar.

Auch für Fahrzeuge, bei denen der niedrige Verbrauch im Vordergrund steht, wird CFK verwendet. Ein Beispiel ist der XL1 von VW. Hier sind das Monocoque und alle Karosserieaußenteile aus CFK. Dabei wird eine Abwandlung des RTM-Verfahrens namens aRTM verwendet. So wiegt der Prototyp lediglich 795 Kilo, wovon nur 230 Kilo auf die Karosserie entfallen. Die Karosserie des wesentlich größeren Aventador wiegt übrigens ebenfalls 230 Kilo.

CFK aus Beschnittresten

Was bei teuren Autos wie dem Aventador machbar ist, ist für Serienautos oft zu teuer. BMW forscht an kostengünstigeren CFK-Verwendungsmöglichkeiten. So lassen sich Beschnittreste von CFK-Matten für viele Bauteile wiederverwenden. Das Geflecht wird aufgetrennt und die Fasern von etwa zehn Zentimeter Länge erneut in Harz eingelegt. So entsteht ein Recycling-Material, das aussieht wie billiges Plastik. Das typische CFK-Geflecht ist hier nicht zu sehen, aber die Fasern verbürgen eine deutlich bessere Festigkeit als bei normalen Kunststoffen.

BMW M hat daraus eine Motorhaube entwickelt, die nur fünf Kilogramm wiegt – ein vergleichbares Stahlteil ist mit 18 Kilo über dreimal so schwer. Die Haube besteht allerdings nicht vollständig aus dem neuartigen Material, sondern nur die Oberflächen. Dazwischen wird eine Wabenstruktur aus Papier oder dem Kunststoff Nomex eingesetzt. Der Vorteil: Wenn bei einem Unfall der Kopf eines Fußgängers auf die Haube prallt, werden die Waben zusammengedrückt, die Haube gibt also nach und der Aufprall verläuft weniger hart. Eine weitere Möglichkeit, die BMW verfolgt, ist ein Sportsitz aus diesem Material. Entwickelt wurde der Werkstoff von SGL Automotive Carbon Fibers, einem Joint Venture zwischen dem CFK-Spezialisten SGL Carbon und BMW.

Leicht ist teuer

Bei Elektroautos ist Leichtbau ebenfalls wichtig, denn je schwerer das Auto, desto mehr Batterien braucht man für eine vernünftige Reichweite, was den Wagen wiederum schwerer macht – ein Teufelskreis. So setzt auch BMW beim geplanten Elektroauto i3 auf Leichtbau. Ziel ist, das Mehrgewicht von etwa 250 bis 300 Kilo zu kompensieren, das durch den schweren Akku zustande kommt. Eine Idee ist, die elektrischen Leitungen des Hochvoltnetzes, die normalerweise aus Kupfer bestehen, in Aluminium auszuführen. Aluminium hat allerdings eine wesentlich schlechtere Leitfähigkeit als Kupfer. Doch dies lässt sich durch dickere Leitungen ausgleichen. Auch so ist noch eine große Gewichtseinsparung möglich. Allerdings stellt sich die Frage, ob teure Elektroautos mit teurer Leichtbautechnik am Ende nicht zu teuer werden. Der Gewichtsvorteil durch Leichtbau muss schon so groß sein, dass die Batterie deutlich kleiner und günstiger ausgelegt werden kann – ein Rechenspiel.

Außerdem hat BMW für den i3 das LiveDrive-Konzept entwickelt. Dabei umfasst das "Drive"-Modul das Chassis aus Aluminium inklusive Batterie und Antrieb. Es liefert auch die Basis für die Crashfestigkeit. Das "Life"-Modul dagegen besteht aus der Fahrgastzelle, sie ist größtenteils aus CFK gefertigt. Bereits in Serie verwendet wird CFK zum Beispiel beim Dach des M3. Um den Werkstoff weiter zu entwickeln, hat sich BMW beim CFK-Spezialisten SGL Carbon eingekauft – pikanterweise übernahm VW kürzlich ebenfalls Anteile an dem Unternehmen.

Alu-Alternativen

Aber auch Aluminium ist bei BMW noch nicht aus dem Rennen. Der Werkstoff ist zwar über den Daumen gepeilt etwa doppelt so teuer wie Stahl, aber die Kosten von CFK sind eben noch deutlich höher. So ist man in München zum Beispiel stolz auf das Dach des aktuellen 7er, das aus Alu besteht. Es wiegt sechs Kilo, gegenüber einem Stahldach wurden fünf Kilo eingespart. Ähnlich bei den Türen des 5er: Die Alu-Teile wiegen pro Stück 10,8 Kilo, wodurch man pro Auto 23 Kilo einspart. Oder die Heckklappe des 5er GT: Sie besteht aus Alu-Druckguss und spart 13 Kilo Gewicht. Das ist nicht nur ein Effizienz-, sondern auch ein Komfortgewinn, da sich eine leichtere Heckklappe auch einfacher öffnen und schließen lässt. Und ein Federbeindom aus Alu spart fünf Kilo.

Leichte Hohlkörper

Bei bestimmten Felgen der BMW-Marke Rolls-Royce wird Gewicht gespart, indem man dicke aber hohle Speichen mit Vermiculit füllt, einem leichten Silikat aus der entfernten Verwandtschaft des Glimmers. Auch an CFK-Felgen arbeitet BMW, kann aber noch keine Prototypen vorweisen. Hier werden an die Bruchfestigkeit viel höhere Anforderungen gestellt als bei einem Sitz oder einer Motorhaube. Aber da es dergleichen bei Fahrrädern schon gibt, kann es wohl nicht mehr lange dauern. Auch eine Kombination von Materialien erscheint möglich: Die Studie des neuen A3, die Audi im März auf dem Genfer Salon präsentiert hat, hat Felgen, die aus CFK und Aluminium bestehen.

Selbst bei der Geräuschdämmung ist Gewichtseinsparung ein Thema, denn durch geschickte Wahl von Material, Struktur und Form – aber auch des richtigen Ortes im Fahrzeug – lässt sich bei der Schalldämpfung durchaus nennenswert Gewicht sparen. Bei BMW zum Beispiel bekommt sogar der Diesel-Partikelfilter bekommt ein Wabenmäntelchen aus Metall. Diese Schalldämmung bringt Mehrgewicht, spart aber anderswo: Die klassischen Dämmwände zwischen Motorraum und Passagierkabine können durch die bessere Dämmung an der Quelle dünner und leichter ausfallen. Sogar an tragenden Teilen wie etwa dem Getriebeträger sowie am Fahrwerk und der Lenkung gibt es noch zahlreiche Leichtbaumöglichkeiten. Viele kleine Maßnahmen bringen hier den Erfolg.

Leichtbau bei Daimler

Auch Mercedes setzt auf CFK – schon die Modelle SLR und SLR Roadster hatten eine Karosserie aus diesem Material. Die Karosserie des aktuellen SLS AMG besteht hingegen aus Aluminium. Beim CLS sind Türen, Motorhaube, Kofferraumdeckel sowie die Kotflügel aus Alu gefertigt. Allein bei den Türen, die zudem rahmenlos ausgeführt sind, werden damit 24 Kilo eingespart. Darüber hinaus wird aber auch die CFK-Technik weiterentwickelt. Mit dem weltgrößten Kohlefaser-Produzenten, dem japanischen Chemie-Unternehmen Toray, hat Daimler dazu unlängst eine Kooperation begründet.

100 Kilo weniger sparen 0,6 Liter

Leichtbaumaterialien wie Aluminium, Magnesium oder CFK dürften in Zukunft im Automobilbau eine immer wichtigere Rolle spielen, vor allem bei Elektroautos, wo sich die teuren Materialien rechnen, sofern dadurch die (teure) Batterie deutlich kleiner ausgelegt werden kann. Auch bei konventionell angetriebenen Autos spielt Leichtbau eine Rolle, die derzeitigen Bemühungen machen sich natürlich auch bei ihnen bezahlt. So spart ein Auto, das 100 Kilo leichter ist, im Stadtverkehr immerhin 0,3 bis 0,6 Liter pro 100 Kilometer. (imp)