Automobil 09.09.2011, 12:07 Uhr

„Wir brauchen auch im Leichtbau Leuchtturmprojekte“

Auf der Internationalen Automobil-Ausstellung IAA in Frankfurt/Main (15. bis 25.  September ) wird das Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden ein Elektrokompaktauto präsentieren. Das aus neuen Kunststoff-Stahl-Verbundwerkstoffen gefertigte Projektfahrzeug „InECO“ wiegt weniger als 900 kg. Die VDI nachrichten nehmen das zum Anlass, mit Institutsleiter Prof. Werner Hufenbach über den Hype um Kohlenstofffaser-Werkstoffe und die Herausforderungen sowie die Zukunft des Leichtbaus zu sprechen.

VDI nachrichten: Um Leichtbau und vor allem um kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) gibt es derzeit einen regelrechten Hype. Wie spüren Sie das an Ihrem Institut?

Hufenbach: Als wir hier 1993 starteten, wurden wir als Exoten belächelt. Zehn Jahre später waren wir 40 Mitarbeiter und hatten ein von der Elbeflut verwüstetes Institut. Heute sind wir 240 Leute und unsere Laborfläche ist um das 30-Fache gewachsen. Wir knüpfen ein immer engeres Netzwerk hier in Sachsen und nach Osteuropa, wo wir eng mit Hochschulinstituten in Breslau, Warschau und Prag kooperieren und ein Cluster bis nach Ungarn und Österreich aufbauen. Denn wir spüren hier deutlich: Es gibt ein großes Vakuum im Arbeitsmarkt. Wir können gar nicht so viele Spezialisten ausbilden, wie die Industrie braucht. In Osteuropa gibt es hervorragende, hoch motivierte Wissenschaftler.

Die Nationale Plattform Elektromobilität (NPE) warnt, Fachkräftemangel könne die Chancen Deutschlands in diesem Zukunftsmarkt schmälern und die technische Entwicklung bremsen …

… hier in Sachsen ist jeder vierte Absolvent Ingenieur. Rund um unser Institut haben wir ein schlagkräftiges Leichtbaunetzwerk mit über 2000 Wissenschaftlern aufgebaut. Doch die Sorge der NPE ist begründet. Wir brauchen im Leichtbau, dem eine wichtige Rolle in der E-Mobilität zukommt, Leuchtturmprojekte mit Ausstrahlung auf junge Leute, auf kleine und mittlere Unternehmen und auf Hochschulen. Das könnte, wie bei den Batterien geplant, ein hochschulnahes F&E-Zentrum, eine Art Pilotfabrik, sein, das für Industriepartner und Forscher offensteht. Eine generische Demonstration also, in dem das vorhandene Know-how zusammenkommt und nutzbar wird.

Lange galt CFK als unbezahlbar. Nun bauen die großen Luftfahrtunternehmen Flügel und Rümpfe daraus und Autohersteller planen Großserieneinsätze. Was ist passiert?

Einerseits ist das Material viel billiger geworden. Als wir anfingen, kostete 1 kg Fasern noch 1000 DM. Heute sind es 15 € bis 20 €. Und durch Großserieneinsätze werden Kohlenstofffasern mit Sicherheit noch günstiger. Daneben ist das Know-how gereift – wenn ich schaue, wo wir angefangen haben, und wo wir jetzt stehen. Wir hatten das Glück, in der Deutschen Forschungsgemeinschaft einen Förderer zu finden, der es uns ermöglicht hat, systematisch Methoden und Grundlagen zu erforschen. Erst auf Basis solcher theoretischer Grundlagen sind heutige Serieneinsätze möglich. Die Theorie steht pünktlich zum Umbruch in der Mobilität bereit. Die Saat geht jetzt auf.

Warum ist die Theorie so entscheidend?

Faserverbünde sind stark anisotrope, also richtungsabhängige Werkstoffe. Um sie in Serie einzusetzen, müssen die Entwickler die Materialeigenschaften skalenübergreifend von der Nano- bis zur Makroebene kennen. Das reicht von den Eigenschaften der einzelnen Faser – wir sprechen von Filament, die wir mit Nanosensoren vermessen – über das Garn, die textilen Pre-Formen, die Matrix aus Thermo- oder Duroplasten, bis hin zur Fertigung der Bauteile und zur Qualitätssicherung inklusive zerstörender und zerstörungsfreier Materialtests. Es hat zwei Jahrzehnte gedauert, die entsprechenden Anlagen, Prüfstände und Simulationsmodelle zu entwickeln, mit denen wir heute die verschiedenen Prozesse durchspielen und benchmarken können …

… in welche Richtung?

Beispielsweise, welcher Prozess der material- und energieeffizienteste ist, wie ich die schnellsten Takte hin bekomme und wie ich dabei reproduzierbare Qualität erreiche. Wobei wir über CFK hinaus blicken müssen. Auch mit Stahl, Aluminium oder mit Magnesium lässt sich bei geschickter Konstruktion und dem richtigen Werkstoffmix leicht bauen. Unser Credo lautet: Das richtige Material an der richtigen Stelle zum richtigen Preis bei richtiger Ökologie. Wer im Antrieb mit kostbaren Seltenen Erden arbeitet, sollte damit keine tonnenschweren Fahrzeuge bewegen. Endliche Ressourcen müssen hochwertigen Produkten vorbehalten sein.

Ist also in der Elektromobilität mit reinen Kunststofffahrzeugen zu rechnen?

Nein, das sicher nicht. Im Premiumbereich haben Verbundwerkstoffe, sprich Composites, die Nase vorn. Doch auch dort wird nur CFK-intensiv gebaut. Da ist weiter Metall dabei. Sie müssen bedenken: Jährlich werden 1,3 Mrd. t Stahl und 80 Mio. t Aluminium produziert – aber nur 35 000 t Kohlenstofffasern. Die Zukunft kann gar nicht komplett schwarz werden. Doch an den Herzstücken der Konstruktion kann CFK-Leichtbau enorme Hebelwirkung entfalten. Das gilt für Fahr- und Flugzeuge wie für Maschinen und Roboter. Der klassische Maschinenbau schreit förmlich nach CFK-Lösungen, um im Sinne von Präzision und Taktzeiten Trägheitskräfte zu minimieren.

Drohen Preissteigerungen, wenn sich unterschiedlichste Branchen auf 35 000 t Kohlenstofffasern jährlich stürzen?

Die Produktionskapazitäten werden ja rasant ausgebaut. Doch natürlich bleibt die Bezahlbarkeit das Thema schlechthin. Dabei hilft, dass CFK-Teile nicht nur hervorragend in komplexe Formen zu bringen sind, sondern sich Funktionen direkt integrieren lassen. Wir können ganze Sensor- und Aktornetzwerke in den Bauteilen unterbringen, Heizungen in Windradflügel integrieren oder sogar selbstreparierende Strukturen schaffen, in denen Mikrorisse durch Erwärmen der Matrix ausheilen. Die Möglichkeiten sind nahezu unbegrenzt und die Forschung steckt hier noch in den Kinderschuhen.

Das hört man zuweilen auch über die Fügetechnik für CFK-Composites …

… auch hier sind die Fortschritte enorm. Es gibt mittlerweile eine ganze Palette von werkstoffgerechten form-, stoff- und kraftschlüssigen Fügeverfahren. Wobei es für die Verbindung von CFK mit CFK andere Lösungen braucht als für die Mischbauweise mit Metallen. Und immer steckt der Teufel im Detail.

Sind Ungewissheiten im Detail der Grund dafür, dass die Automobilindustrie bisher vor CFK in Großserien zurückschreckte?

Das ist sicher nicht abwegig. Die Fügeverfahren werden sich durch Serieneinsätze künftig weiterentwickeln. Denken Sie daran, auf welche Erfahrungen die Branche im Umgang mit Stahl und Aluminium zurückgreift. CFK ist ein junger Werkstoff, der in kürzester Zeit höchste Ansprüche im Flugzeug- und Automobilbau erfüllen soll. Das Know-how wird erst seit wenigen Jahren systematisch an Hochschulen vermittelt. Es gibt noch zu wenige Leute, die das Thema beherrschen und dabei wirklich interdisziplinär denken. Doch genau das ist unabdingbar. Wenn Sie etwa Potenziale beim Kleben von Hybridverbunden heben wollen, geht das nicht ohne Chemiker.

Vor dem Fügen und Verbinden steht die Konstruktion. Wie verändert CFK den Entwicklungsprozess?

Ehe ich anfange zu konstruieren, muss ich bei anisotropen Werkstoffen exakt simulieren, welche Belastungen und Kraftflüsse im Bauteil wirken. Doch das ist gar nicht so einfach, weil die exakten Eigenschaften eines Bauteils von der Fasermenge, ihrer Ausrichtung und der jeweiligen Matrix abhängen. Jedes Bauteil ist ein Unikat, das zuerst simuliert, konstruiert und dann in einem iterativen Prozess optimiert werden muss. Dieser Entwicklungsprozess macht einen Großteil der Kosten aus. Und er gelingt nur in interdisziplinären Teams mit Spezialisten für Berechnung, Werkstoff- und Qualitätsprüfung, Fertigung und Konstruktion.

Gibt es diese Teams in der Industrie?

Sie wachsen – wobei wichtig ist, dass das Know-how bis ins Management reicht. Denn wenn von oben unrealistische Zielvorgaben und Einsatzgebiete für CFK bestimmt werden, haben die Entwickler keine Chance.

Zu hohe Erwartungen bergen die Gefahr, dass der Werkstoff in Misskredit kommt.

Das gilt es zu verhindern. Nur wer einen systemischen Ansatz fährt und dafür breites Know-how aufbaut, wird CFK-Leichtbau beherrschen.

Gehen Sie davon aus, dass die OEM der unterschiedlichen Branchen dieses Knowhow dauerhaft in eigenen Reihen halten werden? Oder ist CFK-Leichtbau eine Sache für hoch spezialisierte Zulieferer, deren Teams dann auch von branchenübergreifenden Erfahrungen profitieren?

Die Autohersteller müssen in der Elektromobilität sehen, wo ihre Wertschöpfung bleibt. Sie können nicht alles an Spezialisten auslagern. Doch ein Markt für spezialisierte CFK-Zulieferer ist sicher da. Es ist ein sehr viel komplexeres Unterfangen, ein Hightechbauteil aus einer Rolle schwarzen Garns und einem Topf Harz zu fertigen, als es aus Stahl oder Aluminium in Form zu bringen. Und sie brauchen natürlich entsprechende Maschinen und Anlagen.

Wird sich die breite Masse von Unternehmen diese Anlagen leisten können?

Maschinen und Anlagen müssen flexibler werden als bisher. In unserer jungen Technologie gibt es ganz natürlich ein Nebeneinander verschiedener Ansätze. Standards werden sich erst mit der Zeit herauskristallisieren. Das heißt, dass die Produktionstechnik wandlungsfähig sein muss – schnelle Anpassung durch modulare Trägersysteme. Auch hier ist ein systemischer Ansatz unabdingbar!

Der Anlagenbau wird durch CFK-Einsatz nicht an allen Stellen profitieren. Wie wird die Oberflächentechnik aussehen, wenn Autos mit Kunststoffen beplankt werden?

Natürlich fallen Korrosionsschutz und KTL-Tauchbäder bei reinen CFK-Bauteilen weg. Folienbeschichtung ist denkbar, oder „Sichtcarbon“ – der kommt schon in der gewünschten Farbe aus der Presse, in den heute bekannten Premiumfarbtönen. Ohnehin lassen sich die hohen Entwicklungskosten nur einfangen, indem Prozesse an anderer Stelle schlanker werden. Also durch Funktionsintegration, Fertigung ohne Nachbehandlung oder auch Sandwichbauweise. Es gibt Ansätze, mit ein und demselben Werkzeug zugleich zu pressen und zu schäumen. Das wird für die Isolierung von Elektroautos wichtig. Die Reise geht zu intelligenter Kombination bisher getrennter Prozesse. Wir propagieren seit 20 Jahren „Funktionsintegrierten Leichtbau im Multi-Material-Design“. Und dieser Ansatz setzt sich national wie international immer mehr durch.

Im Leichtbau-Materialmix wird es allerdings schwer, µm-Toleranzen der Automobilindustrie einzuhalten. Wie lässt sich sicherstellen, dass die Multimaterialstrukturen bei Kälte und Hitze nicht arbeiten?

Das ist hoch komplexe Werkstoffmechanik. Kohlenstofffasern und Matrix haben unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten. Die Fasern ziehen sich bei Wärme zusammen, das Harz dehnt sich aus. Das müssen Entwickler in der Materialwahl berücksichtigen, damit Bauteile im geforderten Temperaturbereich formstabil bleiben. Auch die µm-genaue Formgebung des Materials und die Beherrschung der Eigenspannungen, die sich in Schichtverbunden ergeben, gilt es vorab durchzurechnen. Wer die Grundlagen nicht hat, kann hier sein blaues Wunder erleben.

Der gegenwärtige CFK-Hype ist vor allem der Elektromobilität geschuldet. Werden die Werkstoffe auch den Weg in konventionelle Fahrzeuge finden?

Davon bin ich überzeugt. Die Autos müssen deutlich leichter werden, um künftige CO2-Vorgaben einzuhalten – und die Kunden verlangen nach verbrauchsarmen, umweltfreundlichen Fahrzeugen.

Breiter Einsatz im Auto setzt angesichts der Altautoverordnung geeignete Recycling-Lösungen voraus. Gibt es die für CFK?

Ja, aber noch zu teuer. Die Entwicklung ist noch lange nicht am Ende. Aus Sicht der Wiederverwendung sind Thermoplaste als Matrix deutlich geeigneter als Duroplaste. Auch das Recycling beginnt also schon mit der Konstruktion. Im Recyclingprozess werden Endlosfaserwerkstoffe zu Kurzfaserwerkstoffen. Das geht etwa sieben bis acht Durchläufe, ehe die Fasern nicht mehr verwendbar sind. Andere Ansätze sehen eine direkte Weiterverwendung der Bauteile vor. Dafür arbeiten wir an Reparaturkonzepten, um beschädigte Faserbereiche freilegen und gezielt ausbessern zu können. Die Zukunft wird noch viele Lösungen bringen, um auch sicherheitsrelevante Strukturteile mehrmals verwenden zu können. Im Sinne von ressourcenschonendem effizienten Leichtbau darf und wird es Verschrottung nur noch in Einzelfällen geben. PETER TRECHOW

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