Dr. Andreas Rennet
Steinheim, August 2011; Jahrzehnte galt die Luft- und Raumfahrt unangefochten als die Leichtbausparte schlecht hin. Ein Blick auf den Automobilbau zeigt aber, dass dort inzwischen Lösungen in Serie oder kurz vor der Serie stehen, die an Innovation und Leichtbaueffizienz die Führungsrolle der Luft- und Raumfahrt in Frage stellt. Der Leichtbau hat allerdings seinen Preis – ein Blick auf die aktuellen Entwicklungen und deren Auswirkungen auf die Kostenstrukturen und Gesamtkosten der PKWs.
Leichtbauwerkstoffe
Eine Analyse des automobilen Marktes und der Fahrzeugentwicklung der vergangenen Jahre zeigt klar definierte Trends hinsichtlich der Leichtbauwerkstoffe. Neben Aluminium, Magnesium und den Verbundwerkstoffen – zu denen auch die Kohlefaserverstärkten Kunststoffe (CFK) gehören – muss heute auch ein Teil der Stahllösungen zu der Gruppe der Leichtbauwerkstoff gezählt werden. Bei den Stählen sind hier insbesondere die Bor-Stähle zu nennen. Ein Vergleich der Werkstoffe unter Leichtbaugesichtspunkten zeigt die Positionierung der Werkstoffkonzepte (siehe Kasten 1: Leichtbauwerkstoffe im Vergleich). Nicht überraschend – zumindest für den Leichtbauspezialisten – bieten CFK Werkstoffe mit Abstand das beste Leichtbaupotenzial. Eher überraschend liegen Ultrahochfeste Stähle sogar besser als Aluminium, bieten aber ein eingeschränktes Anwendungsgebiet. In den vergangenen Jahren haben im Bereich der Strukturteile von Fahrzeugen insbesondere Stahl, Aluminium und zum Teil Magnesium um den besten Beitrag für den Leichtbau gekämpft. Hier waren auch die Werkstoffhersteller mit großen Konzeptstudien (z.B. die InCar Studie von Thyssen) sehr aktiv und konnten so viele neue Anwendungen initialisieren. In jüngster Zeit machen aber die Verbundwerkstoffe auf Basis faserverstärkter Kunststoffe von sich reden und werden mit Sicherheit große Veränderungen im strukturellen Leichtbau in der Automobilindustrie bewirken. Mit der Entscheidung der BMW AG das sogenannte Mega City Vehicle (Marktname „i3") mit einer Schwarzkarosserie aus CKF-Komponenten zu entwickeln, muss in der Folge nun eine industrielle Evolution in der Fertigung von CFK Bauteilen vollzogen werden. Mit der Überführung einer Einzel- und Kleinstserienfertigung in eine Großserienfertigung werden sich viele neue Applikationen auf Basis der Faserverbundwerkstoffe eröffnen. Andere Automobilhersteller sind inzwischen auf den Zug mit aufgesprungen und forcieren ihrerseits die Anstrengungen Leichtbaukonzepte unter Erweiterung der Werkstoffauswahl um Verbundwerkstoffe zu entwickeln. Eine spannende Zeit aus Sicht der Automobilentwicklung, glaubt man den Aussagen, dass noch bis zu 30% Gewichtsreduktionen in Strukturen für möglich gehalten werden.
Leichtbaukonzepte
Der Wandel im Bereich der Werkstoffe führt auch zu neuen Leichtbaukonzepten, die sich in die Chronologie der bisherigen Entwicklungen anreihen werden. Der Wunsch, leichte und gleichzeitig aber hochfeste, steife und crashoptimierte Strukturen zu bauen ist so alt wie das Auto selbst. Immer schon war es ein Ziel, die bewegte Masse zu minimieren auch wenn die Beweggründe heute anders sind als vor einigen Jahrzehnten. Sicherlich prägend war die Entwicklung des AUDI Spaceframe für den A8 dessen erstes Konzept im Jahr 1993 vorgesellt wurde. Er löste sowohl im Bereich der Aluminiumwerkstoffe als auch bei den Stahlwerkstoffen einen deutlichen Innovationsschub aus. Neben solchen reinrassigen Monomaterialkonzepten wurde in der Folge eine ganze Reihe von Strukturen in Mischbauweisen auf den Markt gebracht. Als neueste Entwicklung ist hier zum Beispiel der AUDI A6 zu nennen, der sowohl auf Aluminium aber auch auf die warmgeformten Borstähle basiert und so eine deutliche Gewichtsreduktion erreichen konnte.
Dem gegenüber steht nun die Entwicklung einer Serienkarosserie von BMW mit einer CFK Fahrgastzelle und einer Aluminiumbasisstruktur für die Aufnahme der Crashenergie.
Bleibt die Frage: was ist denn das Beste Leichtbaukonzept? Es wird wohl keine Antwort geben können, denn die Anforderungen an die verschiedenen Fahrzeuge und Fahrzeugklassen vor dem Hintergrund eines globalen sind so unterschiedlich, dass es keine einzelne passende Lösung geben wird. Ob eine Lösung gut ist, kann aber durchaus bewertet werden: durch die erreichte Gewichtsreduktion und die Herstellungskosten.
Auswirkung auf die Kostenstrukturen
Bei all den Innovationen, die zu immer leichteren Strukturen führen, wird ein Problem ungelöst bleiben. Auch bei weiter optimierten Fertigungsverfahren und einer erfolgreichen Industrialisierung der CFK-Komponentenfertigung werden die Kosten für Leichtbauwerkstoffe immer höher liegen, als die konventioneller Lösungen. In der Folge würde das eigentlich zu höheren Kosten für den Kunden führen. Betrachtet man die Kostenstruktur, so nimmt bei Leichtbaustrukturen der Kostenanteil der Struktur einen zunehmend größeren Anteil ein. Hinsichtlich der Gesamtkostenrechnung hilft hierbei die Tatsache, dass die Automobilhersteller durch die Senkung der C02-Emissionswerte mögliche Strafzahlungen mindern oder vermeiden können. Hierdurch ist es möglich die Zusätzlichen Kosten für den Leichtbau zu „subventionieren" und damit Kostenneutral darzustellen. Es wurden hierzu verschiedene Rechenmodelle aufgebaut, die die möglichen Mehrkosten je kg eingespartes Gewicht in Abhängigkeit von der Fahrzeugklasse und der Lage im Fahrzeug darstellen (siehe Kasten „Mehrkostengrenze für Gewichtsreduktion").
Mit einem angemessenen begleitenden Marketing vollzieht sich bei den Automobilherstellern derzeitig der Sprung in eine neue Generation des Leichtbaus. Getrieben von Markteinflüssen und drohenden Strafen für zu hohe Flottenverbräuche reagieren hat sich in den vergangenen Jahren sehr viel in Richtung Leichtbau getan – mehr als zunächst zu erwarten war. Sicherlich spielt hier auch der Mut der Unternehmen eine Rolle mit großen Schritten in neue Technologien zu investieren. Hier kommt die Automobilindustrie ihrem Ruf des Innovationsmotors uneingeschränkt nach. Diese Entwicklung ist zu begrüßen, führt sie doch zum einen zu einer größer werdenden Konzeptvielfalt zum anderen unterstützen sie nachweisbar das Ziel, den CO2 Ausstoß merklich zu reduzieren. Es bleibt zu hoffen, dass die Automobilhersteller die sich verändernde Kostenstrukturen nicht durch Preiserhöhungen über den Kunden kompensieren, sondern durch gezieltes „entschlacken" der Fahrzeuge.
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