Großer Leichtbau Report: Die Leichtigkeit des Seins (Technische Daten)

Die meisten modernen Autos neigen zu Übergewicht. Ein Trend, der sich durch alle Fahrzeugklassen zieht. Mit jeder neuen Generation wächst der Hüftspeck. So wog Ende der Siebziger ein VW Golf I mit 750 Kilogramm so viel wie heute ein Smart Fortwo. Der aktuelle Golf bringt es auf 1,23 Tonnen Leergewicht.

Wie kam es zur automobilen Dickleibigkeit? Ein Grund sind höhere Sicherheitsanforderungen. Steifere Strukturen schützen bei Unfällen besser, was mit mehr eingesetztem Material erkauft wird. Ein weiterer großer Gewichtstreiber ist die gestiegene Komfortausstattung. Wurde der Golf I oft ohne Radio ausgeliefert, trägt das heutige Modell meist ein Navigationssystem, elektrische Fensterheber rundum, einen Bordcomputer, Thermoverglasung und Klimaanlage.

95 Gramm CO2-Ausstoß ab 2020 Dritter Grund: Jedes Modell wird gewohnheitsmäßig größer als sein Vorgänger. Um nicht automobile Moppelchen heranzuzüchten, reduzieren die Hersteller die Materialstärke, integrieren verschiedene Funktionen in ein und dasselbe Bauteil. Doch damit erreichen sie meist nicht viel mehr, als den Status Quo zu halten. Druck macht auch der Gesetzgeber mit rigiden Vorgaben beim Thema Verbrauch: Ab 2020 darf die Modellpalette im Schnitt nur 95 Gramm CO2 pro Kilometer ausstoßen.

Die Karosserien müssen schon deshalb dramatisch leichter werden, weil sich Effizienz-Technik meist in Form von zusätzlichen Kilos materialisiert – etwa beim Hybrid- oder beim Elektroantrieb. Bei einem kompakten E-Auto wie dem geplanten BMW i3 wiegt der Antriebsstrang samt Energiespeicher über 100 Kilogramm mehr als bei einem konventionellen Fahrzeug. Obwohl es den Ruf des Gestrigen hat, kann das traditionsreichste Karosserie-Material beim Abnehmen helfen. Hoch- und höchstfeste Stähle bieten gleiche Steifigkeit bei niedrigerem Gewicht und eignen sich deshalb vor allem im Crashbereich.

Mazda verfolgt diesen Ansatz so konsequent wie momentan kein anderer Hersteller. Nach dem kompakten 2 präsentieren die Japaner Anfang 2012 den CX-5 mit einer ausgeklügelten Leichtbaustruktur aus Stahl. Beide sind über 100 Kilogramm leichter als vergleichbare Konkurrenten. Auch Türbeplankungen und Hauben aus Aluminium und Thermoplasten oder Instrumententräger aus Magnesium leisten ihren Beitrag.

Und die Zulieferer haben weitere Ideen, etwa Continental mit einem Motorhalter aus Polyamid für den Porsche Panamera sowie einem Getriebequerträger aus ähnlichem Material, das BMW beim 550i GT verbaut. Johnson Controls hat eine Rücksitz-Struktur aus verklebtem Alu und Dünnblech entwickelt, was ein Drittel Gewichtsersparnis bringen soll. Bereits 1,3 Millionen Mal verkaufte IFC Composite eine Blattfeder aus glasfaserverstärktem Kunststoff für 40-Tonner-Lkw, die statt 66 (Stahl) nur 17 Kilogramm auf die Waage bringt.

Industrie arbeitet immer öfter mit Hochschulen zusammen Längst mischen die Hochschulen beim Thema mit. VW forscht mit dem Dresdner Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik an hochbeanspruchten Leichtbau-Modulträgern aus textilverstärkten Thermoplasten. Instituts-Direktor Werner Hufenbach stellt fest: „Die Industrie gibt sich bei uns gerade die Klinke in die Hand. Noch vor zehn Jahren haben sich für unsere Arbeit nur Fachleute interessiert.“

Speziell das Kohlefaser-Know-how sei gefragt. Hinter dem landläufig Carbon genannten Material steckt ein Verbund aus Harz und Kohlenstoff-Fasern (CFK). Im vierrädrigen Bereich wurde CFK bislang fast ausschließlich im Rennsport sowie bei Supersportwagen in aufwendiger Handarbeit verarbeitet. Je nach Know-how ist kohlenstoffbasiertes Material um bis zu 80 Prozent leichter als ein ähnlich steifes Stück Stahl und hat das größte Potenzial beim Thema Leichtbau.

Doch erst per Industrialisierung wird der Kohlenstoff für die Großserie interessant – und bleibt doch in naher Zukunft dem Premium-Sektor oder Imageträgern vorbehalten. Für die großflächige Anwendung ist es noch zu teuer, weshalb Branchenkenner wie Hufenbach eine Mischbauweise aus Stahl, Aluminium, Magnesium und Kunststoffen als ideale Lösung ansehen: „Ein Golf kann in Zukunft auch ohne kohlenstoff-faserverstärkten Kunststoff auskommen und trotzdem leichter werden.“ Als Lehrmeister sieht der Professor die Natur, etwa den menschlichen Knochen – er ist nur an belasteten Stellen verstärkt. Trotzdem lobt Leichtbau-Papst Hufenbach die Entscheidung von BMW, die Karosserie des Elektro-Kleinwagens i3 aus Carbon zu fertigen. „Am Prozess lässt sich bei dieser Werkstoffgruppe noch viel Geld sparen. Die Optimierungsmöglichkeiten erkennt man meist erst bei der zweiten Fabrikgeneration.“

10.000 BMW i3 jährlich Es wäre die erste Produktion im industriellen Maßstab – BMW plant, ab 2013 vom i3 jährlich über 10.000 Stück im so genannten Resin Transfer Molding-Verfahren herzustellen. Dafür darf die Zeit vom Einlegen der vorgewebten Carbonfasern in die Form über das Injizieren des Harzes und das anschließende Aushärten unter Druck und Wärme nur Minuten betragen – Insider sprechen von weniger als zehn, was in der Branche konkurrenzlos schnell ist.

Nur 30 Sekunden benötigt dagegen das Dresdner Institut derzeit für ein Formteil aus Thermoplastfasern. Doch dass die Forschung einen Schritt weiter ist als die Industrie mit ihren langen Planungsphasen, erscheint logisch. Kohlestofffasern und Harzstränge werden miteinander verflochten und zu Platten gewalzt (Organobleche). Diese werden erhitzt und in Formen gelegt, dort unter Druck und Kälte ausgehärtet.

Kostengünstige Carbonfasern für BMW Welchen Stellenwert der Kohlenstoff bei der Autofertigung einnimmt, zeigen die aktuellen Kooperationen: Die bekannteste betrifft BMW mit der SGL Group. Gerade wurde ein neues Werk in den USA eingeweiht, um dort kostengünstig Carbonfasern zur Fertigung der kommenden BMW i-Familie herzustellen. Bei SGL machten noch vergangenes Jahr Anwendungen im Automobilbereich lediglich fünf Prozent des Umsatzes aus. Bis 2015 soll sich dieser Anteil verdreifachen. Über die Großaktionärin Susanne Klatten ist BMW an SGL mit 22,5 Prozent beteiligt. Obwohl auch VW eine Kapitalbeteiligung von 9,9 Prozent hält, gibt es keine Entwicklungs-Partnerschaft. VW-Tochter Audi vereinbarte dagegen mit dem Automotive-Zulieferer Voith eine Zusammenarbeit im Bereich der Kohlefasertechnik, ähnlich wie Mercedes mit dem Chemie-Giganten Toray.

Das Thema Verbrauch treibt dabei nicht alleine zum Abspecken an – es ist nur in Verbindung mit Aerodynamik und Antriebseffizienz wirkungsvoll. Um dies zu beweisen schickte auto motor und sport einen Seat Ibiza Cupra zunächst nur mit Fahrer, anschließend mit 100 Kilogramm zusätzlichem Ballast auf eine definierte Verbrauchsrunde. Unterschied: 0,1 L/100 km mehr. Beim Beschleunigen, Bremsen und in der Querdynamik verhält sich der beladene Proband dagegen spürbar schlechter. Und: Gewichtsreduktion ist nicht alleine mit teuren Kohlestoffen zu erreichen. Um erneut Hufenbach zu zitieren: „Die Autowelt wird nicht schwarz.“

Kohlefaser-Reparaturzentren werden ein Muss sein Schon alleine das Lokalisieren von Schäden nach Unfällen ist ein heikles Thema. In Dresden werden Carbon-Teile hierfür zur Untersuchung in Computer-Tomografen gelegt. Ähnlich wie bei Aluminiumautos wird es Kohlefaser-Reparaturzentren geben müssen. Zudem bildet sich gerade ein Zweig aus, der sich aufs Recyclen von Carbon-Bauteilen in Granulat spezialisiert.

Statt reiner Carbon- wird sich in der Massenproduktion eine Mischbauweise durchsetzen. So könnte beispielsweise bei einem Cabrio die A-Säule aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehen und so die erforderliche Sicherheit bei einem Überschlag gewährleisten. Ein ähnliches Anwendungsgebiet wäre die Versteifung der B-Säule mit Carbon statt der kompletten Fertigung aus hochfestem Stahl. Einen Space-Frame-Rahmen aus Aluminium, wie ihn beispielsweise Audi einsetzt, könnte man mit einer Bodenwanne aus CFK verkleben. Das würde zudem Geld bei der Montage ersparen, da weniger Bauabschnitte nötig sind.

Kohlefaser-Verbundwerkstoffe werden künftig vor allem dort eingesetzt, wo Bauteile beschleunigt werden, wie etwa bei Antriebs- oder Kardanwellen, sowie bei ungefederten Massen wie Felgen und Fahrwerksfedern – hier wirkt sich Leichtbau drastisch aus. Bis alles, was machbar ist, auch tatsächlich in die Serie einfließt, dauert es aber noch. Um den eingangs hergestellten Bezug zum Menschen aufzugreifen: Wer sein über Jahrzehnte verdoppeltes Gewicht merklich reduzieren will, braucht Hartnäckigkeit und Ausdauer – Gleiches gilt auch für die Automobil-Industrie.

Welchen Stellenwert genießt das Thema Leichtbau bei Audi? Michael Dick: Leichtbau steht für uns an erster Stelle. Bereits 1994 haben wir mit dem Audi Space-Frame beim A8 dem Aluminiumleichtbau zum Durchbruch verholfen. Heute stellen A8 und R8 die Speerspitzen im Leichtbau dar. Davon abgeleitet haben wir Modelle wie den TT im Programm, der dank seiner Hybridbauweise ebenso wie der neue A6 leichter ist als sein Vorgänger. Und auch der A1 zählt dank fünf verschiedenen Stahlgüten zu den leichtesten im Segment.

Können Sie die geplanten Gewichtseinsparungen konkretisieren? Michael Dick: Beim ersten A8 lag das Zellgewicht, also das Gewicht der Karosserie ohne Türen und Klappen, bei 250 Kilogramm. Beim aktuellen Modell sind es 231, und der Nachfolger knackt die 200-Kilo-Marke. Auch der nächste R8 wird leichter, weil wir hier stärker auf intelligenten Mischbau setzen und beispielsweise mehr CFK-Bauteile verbau-en. Beim A4-Nachfolger streben wir mit einer Stahl-Aluminium-Mischbauweise rund 100 Kilogramm Einsparung an. Zahlreiche Strukturbauteile sind dann in Alu-Druckguss ausgeführt, bei der Außenhaut greifen wir ebenfalls auf Alu zurück. Dadurch holen wir aus der Struktur rund 30, aus den Anbauteilen 40 Kilogramm. Weiterhin sparen wir bei den Sitzen etwa zehn Kilo. Beim Q7 haben wir uns die größten Ziele gesetzt, im Vergleich zur ersten Generation wollen wir um 400 Kilogramm reduzieren. Unsere Kollegen von VW und Porsche ziehen mit, zumindest was die Bodengruppe der entsprechenden Schwestermodelle betrifft.

Wie verhalten sich Stahl, Alu und CFK in puncto Kosten und Umweltbilanz zueinander? Michael Dick: Heute kostet Alu etwa zwei- bis drei Mal so viel wie Stahl, bei CFK muss derzeit das Verhältnis 1:7 angesetzt werden – mit Tendenz nach unten, weil wir die Prozesstechnik massiv vorantreiben. Hinsichtlich der Umweltbilanz amortisiert sich beispielsweise beim neuen A6 der höhere Leichtbauaufwand im Vergleich zum Vorgänger bereits nach 5.000 Kilometern. Das liegt an den geringeren Emissionswerten, die auch aus dem Gewichtsvorteil von bis zu 80 Kilogramm resultieren. Wichtig bei jeder Umweltbilanz ist es, die gesamte Kette im Auge zu behalten. Gerade beim Recycling von Aluminium konnten wir viel bewegen. CFK ist noch nicht so weit.

Was zählt für Audi mehr bei der Reduzierung des Gewichts: CO2-Ersparnis oder eine bessere Fahrdynamik? Michael Dick: Sowohl als auch. Zum einen drücken wir den Flottenverbrauch Schritt für Schritt nach unten, zum anderen steht Audi für Fahrspaß und Dynamik – bei beiden Punkten hilft der Leichtbau.

Erfordert das radikalere Konzepte? Michael Dick: Es erfordert vor allem intelligente Konzepte. Beim R8 kommt mehr CFK zum Einsatz, er wird aber, und das sage ich hier ausdrücklich, kein CFK-Monocoque nutzen. Wir bei Audi sehen im intelligenten Mischbau das richtige Konzept. Beim nächsten A2 peilen wir mit Alu-Stahl-Mischbauweise ein Gewicht an, das heute ausschließlich über CFK zu realisieren wäre. Somit erzielen wir Vorteile bei Produktion, Kosten, Umwelt-bilanz und Recycling. Zudem entwickeln wir neue Faser-Verbundwerkstoffe.

Wo lässt sich das meiste Gewicht einsparen? Michael Dick: Nummer eins – die Karosserie, vor allem durch Materialsubstitution und intelligente Formgebung. Dabei sind wir mit dem Stahl noch nicht am Ende, da sich die Zulieferer einiges haben einfallen lassen. Daraufhin zogen die Alu-Lieferanten mit neuen Legierungen nach, die wir derzeit für den nächsten A8 erproben. Auch bei Ausstattungen und Elektronik ist noch einiges zu holen. Gleiches gilt für die Motoren. Unser neuer V6 TDI etwa ist 27 Kilogramm leichter als der Vorgänger. Außerdem verleihen wir lieber unseren Assistenzsystemen mehr Intelligenz, anstatt mehr Airbags einzubauen, auch das spart Gewicht.

Und wie sieht es bei Elektrofahrzeugen aus? Dort scheint die Gewichtsreduktion am aggressivsten vorangetrieben zu werden. Michael Dick: Das stimmt. Beim R8 E-Tron, den wir Ende nächsten Jahres auf die Straße bringen, sieht man das deutlich. Beim R8 E-Tron zeigen wir viele intelligente Leichtbaulösungen. Wichtig dabei ist die Funktionsintegration, das heißt, dass beispielsweise Batteriehalterung nicht nur die Batterien aufnehmen, sondern auch als tragendes Element für das Gesamtfahrzeug dienen.

Was wird das Auto wiegen? Michael Dick: Das Zielgewicht liegt bei 1.800 Kilogramm. Davon wiegen allein die Batterien 600 Kilogramm. Das ist notwendig, denn der R8 E-Tron wird auf eine Reichweite von bis zu 250 Kilometer ausgelegt. In der Summe also ein extrem leichtes Auto