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Karbonproduktion im SGL-Werk Moses Lake
 

Das Material der Zukunft

Fehler in Kristallen, selbstheilende Werkstoffe oder doch die Mischung aus Aluminium und hochfesten Stählen. Welcher Autohersteller setzt auf welches Material?

29.03.2015 Press Inform

Der BMW i3 hat die Automobilbranche revolutioniert. Das liegt weniger an seinem Elektroantrieb, der sich für einen akzeptablen Alltagsnutzen mit einem Reichweitenverlängerer kombinieren lässt. Herzstück des BMW i3 sind Live- und Drive-Modul. Während das Drive-Modul in einem Alurahmen der Bodengruppe den kompletten Antrieb mit Akkus und Elektromotor für die Hinterachse beinhaltet, besteht die Karosserie aus hochfester Karbonfaser. BMW proklamiert diese Faser als Material der Zukunft und hat auch seinem neuen Aushängeschild, dem im Herbst auf den Markt kommenden Siebener, Leichtbaukomponenten mitgegeben, die immerhin 100 Kilogramm einsparen.

Jaguar Land Rover geht einen anderen Weg

„Karbon ist einfach zu teuer“, ruft Entwicklungsvorstand Wolfgang Ziebart, zuvor bei BMW, Continental und Artega tätig, ins Gedächtnis, „daher setzen wir für unsere Modelle auf Aluminium.“ So speckten unter anderem das Topmodell Range Rover und ab Sommer das Mittelklassemodell des Jaguar XE ab. Dessen Karosserie besteht zu 75 Prozent aus Aluminium. Das Chassis des Jaguar XE wiegt lediglich 251 Kilogramm. Entwickler Dr. Mark White legt Wert darauf, dass die Karosserie nicht nur sehr leicht sondern auch extrem verwindungssteif ist. „Der beste Wert in dem Segment“, so White. Erreicht wurde dies mit speziellen Aluminium, dass steifer und zugleich dünner ist.

Serienproduktion von Carbonfasern

Leichtbaumaßnahmen bei Audi

Auch Premium-Konkurrent Audi will den Leichtbau wieder in den Kern seiner Entwicklungen rücken. Durch zahlreiche Leichtbaumaßnahmen speckte der neue Q7 ab. „Mit 325 Kilogramm weniger Gewicht setzt er den Benchmark im Wettbewerb“, unterstreicht Audi-Entwicklungsvorstand Ulrich Hackenberg. Allein die Karosserie ist 71 Kilogramm leichter als beim Vorgänger. Auch die zukünftigen Generationen von A6 / A7 und dem A8 sollen deutlich leichter werden.

Doch es geht auch anders – traditioneller

Die Mischung aus Aluminium und hochfesten Stählen zeigt Erfolge. 1992 brachte die Rohbaukarosse eines Porsche 993 knapp 220 Kilogramm auf die Waage, die 997er-Baureihe wog 2004 schon 280 Kilogramm. Mit intelligentem Leichtbau schafften es die Stuttgarter, das Gewicht der aktuellen 991-Rohbaukarosse wieder unter 250 Kilogramm zu drücken. Zustande gekommen ist die Gewichtsreduzierung vor allem durch einen Materialmix und konstruktive Veränderungen. Lorenz Heinisch von Porsche: „Kein einziges Karosserieteil ist noch so wie beim Vorgängermodell.“ Beispiel hinterer Längsträger. Der bestand in der Modellreihe 997 noch aus 14 zusammengefügten Stahlbauteilen mit einem Gesamtgewicht von 14,5 Kilogramm. Der Träger im neuen 911er wird nun in Aluminium-Druckgusstechnik erstellt, besteht nur noch aus drei Einzelteilen und wiegt gerade mal noch 8,6 Kilogramm. Die Karosseriebauer sparten auch durch einen ausgefeilten Materialmix aus Stahl und Aluminium an Gewicht. So bestehen der Vorderwagen, große Teile des Bodens und der Hinterwagen vor allem aus Aluminium. Ebenso Deckel, Kotflügel und der Türrohbau. Insgesamt kommt der Aluminium-Anteil beim Coupé auf 44 Prozent der Rohkarosse.

Der wilde Wahn abzuspecken, hat einen guten Grund

Es geht um jedes Gramm, denn mehr Gewicht heißt mehr Verbrauch und weniger Fahrdynamik. Den Aufwand, den BMW betreibt, um i3 und i8 die schweren Akkupakete abzutrainieren, ist gigantisch und muss erst einmal bezahlt werden. Doch die Münchener haben Gründe für diesen Einsatz. Werksleiter Dr. Pohlmann: „Die Kohlefaser ist 30 Prozent leichter als Alu und 50 Prozent leichter als Stahl. Normal gibt es Fäden mit 3.000 bis 6000 Fasern. Bei uns sind es 50.000 und wir arbeiten mit Gelegen statt Webstrukturen.“ Dadurch sollen die i-Modelle leicht und hochfest sein.

Materialverbindungen-beim-Porsche-991
© Bild: Werk / Materialverbindungen beim Porsche 991

Doch Karbon hat auch Nachteile

Nach wie vor sind Karosserieteile Karbon um ein vielfaches teurer als Stahl oder Aluminium. Zudem bringen die Karosseriemodule wie bei einem BMW i3 große Mengen Verschnitt, der sich nur teuer recyceln lässt. Für große Fahrzeugvolumina ist Karbon undenkbar; für günstigere Fahrzeugsegmente sowieso. Mit einem Anteil von über 50 Prozent ist Stahl immer noch der mit Abstand wichtigste Werkstoff für die Automobilindustrie. Allerdings hat auch der traditionelle Werkstoff in den letzten Jahren einige Veränderungen durchgemacht. Durch Zugabe von Metallen wie Mangan, Nickel und Chrom haben Stahlhersteller ihre Produkte verändert und auf die immer anspruchsvolleren Anforderungen der Autobauer abgestimmt. „Dabei bietet sich vor allem Magnesium an“, glaubt Porsche-Mann Lorenz Heinisch. Das Leichtmetall wiegt viermal weniger als Stahl und fast halb so viel wie Aluminium. Sein Einsatz im Automobilbau ist allerdings nichts Neues: Vor allem Karosserien von Sport- und Rennwagen trugen schon vor über einem halben Jahrhundert leichte Magnesium-Karosserien.

Fehler im Kristall als Chance

Jetzt erinnern sich die Autobauer rundum wieder an das Material. Forscher am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) experimentieren zurzeit mit einer Mangan-Silizium-Aluminium-Legierung, die das Dehnungsvermögen deutlich verbessert. Hier macht man sich kleine Fehlern im Kristall zunutze – die sogenannten Stapelfehlern, erläutert MPIE-Werkstoffforscher Georg Frommeyer. Als Leichtbaumaterial für die Autos von morgen bringen die Düsseldorfer Werkstoffforscher auch ihren „Triplex-Stahl“ ins Spiel. Dafür haben sie dem eisenhaltigen Autobaustoff Nanopartikel aus Kohlenstoffverbindungen beigefügt. Das Produkt ist bis zu zehn Prozent leichter als aktuelle Leichtbaustähle – gleichzeitig deutlich härter und dehnbarer als diese.

Karbonproduktion-im-SGL-Werk-Moses-Lake
© Bild: Werk / Karbonproduktion im SGL-Werk Moses Lake

Selbstheilende Werkstoffe

Noch weiter in die Zukunft reicht ein anderes Thema hinein, mit dem sich die Düsseldorfer Eisenspezialisten aber auch andere Forschungsinstitute aktuell befassen – „selbstheilende Werkstoffe“. Vorbild für diesen Ansatz liefern Knochen, die von selbst heilen nachdem ihnen durch Stöße winzige Risse zugefügt wurden. Für Werkstoffebene heißt das: Winzige Kapseln mit Klebstoff werden in ein Material integriert. Treten durch Materialermüdung kleine Risse auf, platzen die Kapseln – der Klebstoff tritt aus und füllt die Risse. Noch sind es auf den Stahl aufgebrachte Verbundmaterialien, denen die Forscher solche Reparaturfunktion einimpfen können. In nicht allzu ferner Zukunft wollen sie auch dem Stahl selbst Selbstheilungskräfte verleihen.

Der Materialmix ist der Schlüssel

Während zum Beispiel Audi auch bei seinen gehobenen Serienmodellen und Sportwagen vor allem auf faserverstärkte Kunststoffe und Aluminium setzt, sieht man dies bei Porsche laut Heinisch eher „für Nischen- und Luxusfahrzeuge mit geringer Stückzahl und sehr hohem Preisniveau“. Im Markt für konventionelle Großserienfahrzeuge, die für die nächsten zwei Jahrzehnte rund zwei Drittel der europäischen Automobilproduktion ausmachen dürften, werden Karosserien weiterhin vor allem aus hoch- und ultrahochfesten Stählen mit Aluminiumanteilen die Regel sein. Das übrige Drittel wird, so glaubt man bei Porsche, überwiegend in moderatem Leichtbau entstehen, in hybriden Strukturen also aus Metallen und faserverstärkten Kunststoffen. Das scheint auf mittlere Sicht der Königsweg zu sein. Da das Kostendiktat dem Drang nach immer weniger Gewicht schwerfällig gegenüber steht, dürfte der rechte Materialmix der rechte Weg in die Zukunft sein. Dann kann man sich auch automobile Fingerüberübungen wie bei der aktuellen Mercedes C-Klasse ersparen. Die erreicht ihre günstige Effizienzklasse nur mit einem kleinen 41-Liter-Tank, der Gewichtsvorteile bringt und den sparsamen Einstiegsmodellen sollen die A+-Wertung sichert.

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