Wunder-Werkstoff CFK

Leichtbau mit Karbon geht bald in Serie


Leichtbau mit Karbon ist auf dem Sprung in die Serien-Produktion

München/Meitingen/Ingolstadt/Donauwörth. Superleicht und dennoch härter als Stahl: Das sind faserverstärkte Kunststoffe aus Karbon (CFK). Der neue Werkstoff hilft der Industrie, Gewicht zu sparen. Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu klimafreundlichen Produkten. Denn Autos und Flugzeuge, die leichter sind, verbrauchen weniger Kraftstoff und stoßen weniger Abgase aus.

Teuer und aufwendig ist die Technik bisher, weil der Umgang mit der Faser viel Handarbeit verlangt. Noch sind Bauteile aus CFK sechsmal teurer als Stahl. Doch jetzt wird die Faser fit für die Produktion am Fließband.

In Bayern tüfteln 70 Unternehmen und Forschungsinstitute an automatisierten Verfahren: Im Städte-Dreieck München-Augsburg-Ingolstadt haben sie sich zum Cluster MAI Carbon zusammengetan. Auch bayerische M+E-Unternehmen sind dabei.

„Unser Ziel ist, die Kosten zur Herstellung von CFK binnen fünf Jahren um 90 Prozent zu senken“, sagt Professor Klaus Drechsler, Leiter der Projektgruppe Leichtbau des Fraunhofer-Instituts und Inhaber des Lehrstuhls für Carbon Composites an der Technischen Universität München.
Das mattschwarze Material kommt aus der Luft- und Raumfahrt. Sie setzte es als Erste ein – weil beim Abheben vom Boden jedes Kilogramm zählt.

Auch in der Automobil-Industrie und in der Fahrrad-Produktion hält der Werkstoff nun Einzug. Aus der Formel1 und von Sportwagen kennt man ihn schon.

Ausgleich für schwere Batterie

„Karbon ist eine zukunftsträchtige Ergänzung zu bisherigen Werkstoffen – etwa Leichtbau-Metallen wie hochfestem Stahl oder Aluminium“, so Drechsler.

Der erste Wagen, der komplett auf den Werkstoff setzt, ist der BMW i3. Er besitzt eine hochfeste, extrem leichte Fahrgastzelle aus CFK als Ausgleich für die schwere Batterie, die der Elektroflitzer zum Fortbewegen braucht. Ende 2013 soll er in Serie gehen.

Im Leichtbau forscht BMW künftig mit Toyota. Der japanische Autohersteller und die Münchner haben eine Absichtserklärung unterzeichnet. Das ist nicht die einzige Partnerschaft: In einem Gemeinschaftsunternehmen mit SGL Carbon hat BMW bereits mit der Fertigung der Fasern für den i3 begonnen. SGL Carbon ist einer der größten Hersteller von Produkten aus Kohlenstoff. In Meitingen bei Augsburg sitzt die Forschungszentrale des Konzerns.

„In Extrembereichen hat Karbon unschlagbare Stärken“, so SGL-Sprecher Tino Fritsch. „CFK ist äußerst belastbar und stabil. Außerdem rostet es nicht. Im Automobilbau wird es deshalb für tragende Teile verwendet, um bei gleicher Festigkeit Gewicht zu sparen.“

Ab in die Serie und runter von den Kosten: Die Automatisierung gelingt mit Robotern und Technik aus der Textil-Industrie. Mit dem Autohersteller Audi und der württembergischen Maschinenbau-Firma Voith haben die Forscher von Fraunhofer jetzt eine Super-Flechtmaschine entwickelt.

Jeder Millimeter Faser wird genutzt

Statt Baumwollgarn verarbeitet die Anlage auf Rollen gewickelte Fasern aus Karbon. Eine Ziehmaschine ummantelt diese mit Harz. Das Besondere daran: Fasern einlegen, ausrichten, Harz einspritzen – all diese Schritte laufen vollautomatisch ab.

Karbon steckt bereits in den R8-Modellen von Audi (Heckklappe, Seitenteile) sowie im neuen R8 e-tron. Der Sportwagen mit Elektro-Antrieb soll noch in diesem Jahr auf den Markt kommen. Auch ein Fahrrad aus Karbon haben die Audi-Ingenieure gebaut. Das „e-bike Wörthersee“ flitzt mit 600 Gramm leichten Laufrädern über den Asphalt.

Weg von der Handarbeit heißt es in der Flugzeug-Produktion. Teile für Rumpf und Tragflächen, die zum Beispiel Premium Aerotech in Augsburg und Eurocopter in Donauwörth herstellen, erreichen zehn Meter Länge und mehr. Beide Unternehmen arbeiten mit Wissenschaftlern von Fraunhofer an einem CFK-Verfahren für diese Riesenmaße. Ein Roboter greift mit Harz ummantelte Karbon-Bändchen und legt sie in einer Form ab, wo sie ausgehärtet werden. Er passt das Rohmaterial genau an die spätere Form an.

So entsteht kein Verschnitt. „Jeder Millimeter der kostbaren Faser wird genutzt“, so Fraunhofer-Forscher Drechsler. Karbon ist nicht nur leicht, es ist auch kompakt. Das zeigen die Türen für den Airbus A350 XWB, die Eurocopter seit diesem Jahr fertigt. „Es ist uns gelungen, die Tragstruktur aus nur vier Teilen zusammenzusetzen“, erklärt Michael Rehmet, Leiter des Bereichs Flugzeugtüren. „Das bedeutet weniger Fügestellen und weniger Ansatzpunkte für Verschleiß.“

Roboter und Maschinen specken ab

Auch in Hubschraubern von Eurocopter werden Verbundstoffe seit langem in Rumpf und Rotoren eingesetzt. Mobil am Boden und in der Luft: Mit Karbon geht es leichter. Wachstum für das Material sieht Drechsler im Maschinenbau.

Walzen in Papierfabriken oder Druckereien lassen sich damit abspecken. Oder Industrie-Roboter: Greifarme aus Karbon machen sie leichter und flinker.

Info: Karbon – was kann’s?

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK), umgangssprachlich Karbon, ist ein extrem leichter Werkstoff. Fasern aus Kohlenstoff werden in eine Hülle aus Kunstharz eingebettet und unter hoher Temperatur gehärtet.

Ein Kohlenstoff-Faden ist zehnmal dünner als ein menschliches Haar. Zu Bündeln zusammengefasst und zu Geflechten verwoben wird er härter als Stahl.

„Schwarzes Gold“ wird Karbon wegen seiner Eigenschaften genannt: Es ist reißfest, robust und rostet nicht.

Das hat seinen Preis: Noch ist CFK als Rohstoff 20-mal teurer als Stahl und 3-mal teurer als Aluminium.

Dafür spart Karbon Gewicht. Ein Drittel im Vergleich zu Aluminium. Bringt ein Auto 100 Kilogramm weniger auf die Waage, verbraucht es auf 100 Kilometer einen halben Liter weniger Benzin.

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