Leichtbau mit CFK-Teilen bleibt eine Luxus-Lösung

München. Carbonfaser-verstärkte Kunststoffe (CFK) locken mit mehr als 50 Prozent Gewichtsvorteil gegenüber Stahl – aber ein Durchbruch in der Massenfertigung hochfester Teile ist nicht in Sicht. Die Hürde bildet der Preis. Denn der Gewichtshalbierung im Vergleich zu Stahl stehen aktuell noch sechs- bis achtmal so hohe Kosten gegenüber, wie Ralph Lässig erläutert. Der Produktionsexperte und Partner bei Roland Berger hat in einer Studie Perspektiven für die Produktion von CFK-Bauteilen untersucht. Fazit: Die sogenannten endlosfaserverstärkten Bauteile werden bis 2020 um lediglich rund 30 Prozent billiger als heute. Nur aus ihnen lassen sich hochfeste Struktureile herstellen, die Stahl ersetzen können.

Auch nach dieser Kostenreduzierung wäre das CFK-Teil immer noch zwei- bis dreimal teurer als ein entsprechendes Stahlbauteil. „Und es weist immer noch einen Kostennachteil im Vergleich mit einem Aluminium-Bauteil aus, dem nur relativ geringe Vorteile gegenüberstehen“, erläutert Lässig. Unterm Strich, so schätzen Lässig und seine Mitautoren, kostet im Jahr 2020 jedes Kilogramm Gewicht, das durch CFK-Bauteile statt Stahlteile gespart wird, zehn Euro. So verbreitet sich neben dem BMW-Ansatz, in den i-Modellen eine komplett aus CFK bestehende Fahrgastzelle einzusetzen, weiter der „intelligente“ Materialmix. Das Institut für Fahrzeugkonzepte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) etwa hat einen sogenannten Spant- Spaceframe entwickelt.

Dabei bestehen alle Strukturen in Längsrichtung weiterhin aus Metall. Sie werden ergänzt durch drei umlaufende CFK-Spanten, die A-, B- und C-Säule ersetzen. Das senkt das Karosseriegewicht nach DLR-Angaben zwar nur um 25 Prozent. Aber „eine reine CFK-Karosserie wäre aus unserer Sicht zu teuer und eignet sich momentan am besten für die Kleinserie“, erläutert Projektleiter Roland Schöll. Beim Leichtbau-Vorreiter Audi arbeitet man nicht zuletzt in der Kooperation mit dem Anlagenbauer Voith ebenfalls intensiv am CFK-Einsatz. Auch im Neckarsulmer Aluminium- und Leichtbauzentrum von Audi hält man den intelligenten Materialmix statt reiner CFK-Karosserien für das überlegene Konzept.

Damit könne man Karosserien realisieren, die noch leichter als reine CFKFahrgastzellen seien. „Und in der energetischen Gesamtbilanz sowie bei den Kosten für den Kunden sind sie ohnehin klar überlegen“, sagt Peter Fromm, Leiter Entwicklung Aufbau bei Audi. Einen deutlichen Schub könnten CFK-Bauteile nach 2020 erleben, weil sie ein hohes Potenzial zur Integration bieten, meint Lässig. Wenn zuvor separat gefertigte und montierte Teile wegfallen, weil sie in CFK-Strukturen integriert werden, kann das die Zusatzkosten teilweise kompensieren. Möglich sei das schon heute, allerdings mangele es noch an Erfahrung sowie Simulations- und Berechnungstools für deren optimale Auslegung. Dennoch erwartet Lässig, dass sich schon bis 2020 die Fertigung hochfester CFK-Teile in Serien zwischen 10.000 und 30.000 Stück pro Jahr etablieren wird – und zwar in teilautomatisierten Fertigungszellen, wie sie derzeit für erste Fahrzeuge aufgebaut werden.