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Kohlenstofffaser Sparwunder aus Karbon

Die Autoindustrie geht auf Diät. BMW, Daimler & Co investieren massiv in Bauteile aus Karbon. Sie sind stabiler und vor allem leichter als Stahl. Fahrzeuge mit Kohlefaser-Teilen verbrauchen weniger Kraftstoff und sind umweltfreudlicher. Die Branche steht vor einem Zeitenwechsel.

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Megacity Vehicle BMW

Der knallrote VW Golf GTI mit den karierten Sitzen ist noch gut in Schuss. Er stammt aus dem Jahr 1976, sieht zierlich aus, wiegt lediglich 810 Kilogramm. Daneben steht der aktuelle Golf V GTI. Er bringt stolze 1400 Kilogramm auf die Waage. Eine steifere, größere Karosserie, Airbags, Klimaanlage, Navigationsgerät, Sitzheizung und Parkpiepser erhöhen Sicherheit und Komfort. Und der aktuelle GTI hat mit 230 PS auch mehr als doppelt so viel Leistung wie sein Urahn.

Immer größer, immer leistungsfähiger und damit immer schwerer: Dieser Gewichtsspirale im Automobilbau hat der Gesetzgeber ein Ende verordnet. Ab 2015 müssen alle Pkw-Hersteller den CO2-Ausstoß ihrer Modelle im Schnitt auf 120 Gramm pro Kilometer senken. Der entscheidende Ansatzpunkt dafür ist das Gewicht: Autos, die 100 Kilo weniger wiegen, verbrauchen einen halben Liter Treibstoff weniger auf 100 Kilometer. Auch Elektromobile müssen Ballast abwerfen – ein Lithium-Ionen-Akku für eine Reichweite von 100 Kilometer bringt immerhin 250 Kilogramm auf die Waage.

Leichtbau ist dafür die richtige Diät. Statt aus Stahl werden Türen und Motorhauben aus Aluminium und Kunststoff gefertigt. Einen entscheidenden Schritt weiter geht BMW: Der Autobauer präsentiert dieser Tage in München ein ultraleichtes Elektroauto für die Stadt, dessen Karosserie aus karbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) besteht. 2013 soll das Megacity Vehicle in den Handel kommen.

Halb so schwer wie Stahl

Seit 125 Jahren werden Autos überwiegend aus Stahl gebaut. Jetzt strebt mit den Kohlenstofffasern ein mattschwarzer Baustoff mit glänzenden Eigenschaften nach der Vorherrschaft. Er ist in seiner chemischen Struktur mit Diamanten verwandt, robuster und ein Drittel leichter als Aluminium und sogar nur halb so schwer wie Stahl. Für Thomas Göttle, Automobilexperte bei der Unternehmensberatung PA Consulting Group, gibt es keinen Zweifel: „CFK ist die einzige Möglichkeit, das Gewicht von Elektroautos wie von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor entscheidend zu senken.“

Karbonfasern werden seit fast 50 Jahren industriell eingesetzt. Ursprünglich entwickelt für die Raumfahrt, werden sie in der Luftfahrt und in vielen Bereichen genutzt: Tennisschläger werden ebenso aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen produziert wie Golfschläger, Skier, Rennräder, Rodelschlitten, Rotoren von Windrädern, Angelruten und sogar Geigenbögen.

Das Material ist extrem leicht, extrem stabil – aber bislang auch extrem teuer. Bauteile aus Kohlenstofffasern nahmen deshalb über den Rennsport den Weg in den Automobilbau: Vor 30 Jahren steuerte John Watson in Silverstone mit dem McLaren MP4-1 das erste Formel-1-Rennauto auf die Piste, dessen Monocoque komplett aus Karbon bestand. Sechs Tage hatte der Bau der ultraleichten Fahrgastzelle gedauert – eine kleine Ewigkeit.

Inzwischen geht es deutlich schneller. Beim McLaren MP4-12C, dem neuen Supersportwagen für den Alltagsverkehr, ist die aus einem Stück bestehende Fahrgastzelle aus Kohlenfasern nach vier Stunden fertig. Produziert wird das nur 75 Kilo schwere Bauteil vom Spezialisten Carbotech aus Salzburg, einer Tochter des Autozulieferers Mubea aus Attendorn.

Doch auch vier Stunden pro Bauteil wären bei einem Auto wie jenem Megacity Vehicle von BMW von dem jedes Jahr mehrere 10 000 Exemplare entstehen sollen immer noch zu viel. Das gilt auch für die Kosten: Ein Karosserieteil aus Stahlblech kostet etwa vier Euro pro Kilogramm, ein baugleiches Teil in CFK mit rund 200 Euro das 50-Fache. Rund 50 Euro davon entfallen auf das Material, Fasern und Harz. „Deshalb schaut die Branche gespannt nach München“, sagt Autoexperte Göttle.

Megacity Vehicle BMW Quelle: Schulte Design

Denn die Herausforderungen, vor die der neue Werkstoff Ingenieure stellt, sind gewaltig. Lange, energieaufwendige Prozesse, hohe Kosten, dazu Probleme bei Reparatur und Recycling – für die Großserienfertigung eines Kleinwagens sind das denkbar schlechte Bedingungen. Trotzdem ist BMW entschlossen, das Elektromobil der neuen Art ab 2013 in CFK zu bauen. Intern haben die Ingenieure die Vorgabe, die Herstellungskosten auf ein Zehntel zu senken.

Erreichen wollen die Münchner das Ziel mithilfe der Experten von SGL Carbon. Das aus dem Chemieriesen Hoechst hervorgegangene Unternehmen ist derzeit der einzige Hersteller von Karbonfasern in Europa.

Strippenzieherin bei dem Bündnis war Susanne Klatten – Deutschlands reichste Frau, mit einem geschätzten Vermögen von gut acht Milliarden Euro. Klatten, geborene Quandt, ist am Automobilkonzern BMW ebenso beteiligt wie an SGL Carbon. Gemeinsam mit ihrer Mutter Johanna Quandt und ihrem Bruder Stefan Quandt hält sie 46,6 Prozent des stimmberechtigten BMW-Kapitals. An SGL Carbon hält sie aktuell 22 Prozent.

SGL-Carbon-Chef Robert Koehler erhofft sich viel von der Entwicklung: „In zehn Jahren könnte unser Gesamtumsatz mit Karbonfasern von derzeit 300 Millionen Euro pro Jahr auf bis zu drei Milliarden Euro steigen.“

Produziert werden die Kohlenfasern in einem nagelneuen Werk in Moses Lake, einer Kleinstadt mit 18 000 Einwohnern im Nordwesten der USA. Einer der größten Vorzüge des Paradieses für Jäger: Es gibt ausreichend Strom, der umweltfreundlich durch Wasserkraft hergestellt wird. Mit dem Einsatz regenerativer Energie hofft BMW die Diskussion über den enormen Stromhunger und die damit verbundene schlechte CO2-Bilanz der CFK-Herstellung ersticken zu können.

„Energetisch ist die Herstellung von Kohlenfaserteilen ein höchst aufwendiger Prozess“, sagt Kai Fischer, der Leiter der Abteilung faserverstärkte Kunststoffe am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen. Die Öfen, in denen die Kohlenfasergarne mit dem Epoxydharz verbacken werden, laufen bei Temperaturen zwischen 1500 und 2000 Grad, aus produktionstechnischen Gründen 24 Stunden lang und an sieben Tagen der Woche. Zahlen zur Gesamtenergiebilanz der Kohlenfaserherstellung hat SGL Carbon bisher nicht veröffentlicht. Fischer: „Das ist ein heißes Thema.“

Öfen laufen bei 2000 Grad

Verarbeitet werden soll das pechschwarze Wundergarn aus Moses Lake in Wackersdorf in der Oberpfalz. Dort, wo Brennstäbe von Atomkraftwerken aufbereitet werden sollten, entsteht gerade eine einzigartige Textilfabrik. Vier Wirkmaschinen, jede dieser Nähmaschinen so groß wie ein Schiffscontainer, weben hier Gelege, eine Art Matte, in industriellem Tempo. Zu Teppichen aufgerollt, gelangen die Karbongelege anschließend ins BMW-Werk Landshut, wo sie in einem automatisierten Prozess mit Harz getränkt und in Form gepresst werden. Nur sechs Minuten soll die Herstellung eines Bauteils dauern.

Das mutige Engagement von BMW in Sachen Leichtbau bringt Bewegung in die Autoindustrie. Daimler gründete kürzlich ein Joint Venture mit dem weltgrößten Hersteller von Karbonfaserstoffen, Toray aus Japan. In Esslingen sollen ab 2012 Bauteile wie Kofferraumhauben und Dächer aus CFK hergestellt werden. Und Audi verkündete vergangene Woche eine Entwicklungspartnerschaft mit dem württembergischen Maschinenbauer Voith zur Produktion von Leichtbauteilen aus CFK.

Hilfestellung bekommt Audi aus Italien: Konzernschwester Lamborghini arbeitet eng mit den Experten des Flugzeugherstellers Boeing aus Seattle zusammen. Wie weit man dabei gekommen ist, zeigt der neue Aventador: Die Karosse des Supersportwagens, der in wenigen Tagen auf dem Automobilsalon in Genf Weltpremiere feiert, besteht größtenteils aus Kohlenfaserverbundstoff.

Und auch der Mutterkonzern in Wolfsburg hält große Stücke auf den Wunderwerkstoff. Bereits 2002 war der heutige VW-Aufsichtsratsvorsitzende Ferdinand Piëch in einem zigarrenförmigen Ein-Liter-Auto mit Karbonkarosse von Wolfsburg nach Hamburg gerollt. Im Januar dieses Jahres legte VW nach und präsentierte im Wüstenemirat Katar ein serientaugliches Ein-Liter-Auto namens XL1. Firmenpatriarch Piëch war erkennbar angetan vom Fortschritt, insbesondere den sinkenden Produktionskosten: „Die Karbonkarosserie des Ein-Liter-Autos von 2002 kostete rund 35 000 Euro, die des XL1 noch 5000 Euro.“

Der Zweisitzer wiegt nur knapp 800 Kilogramm, obwohl er alle üblichen Komfort- und Sicherheitsausstattungen an Bord hat. Geplant ist, das Auto ab 2013 in einer Kleinserie von 100 Stück zu fertigen.

Mit konkreten Angaben zu Produktionszahlen und Verkaufspreisen halten sich die Entwickler zurück. Mit gutem Grund: Wie anspruchsvoll der Werkstoff ist, erfährt derzeit Boeing. Schon sieben Mal musste der Flugzeugbauer die Auslieferung seines Dreamliners verschieben. Der neue Langstreckenflieger soll zu mehr als der Hälfte aus CFK bestehen. Doch die Ingenieure haben die Komplexität des Werkstoffs unterschätzt. Schon kleinste Ungenauigkeiten oder Lufteinschlüsse machen ein Teil wertlos. Die Ausschussquoten sind hoch – die Rede ist von 30 Prozent und mehr. Und im Gegensatz zu Aluminium oder Stahl lassen sich Teile aus Kohlenfasern nicht nachbearbeiten.

Handelt es sich bei Flugzeugen um Einzelanfertigungen, muss CFK im Auto beweisen, dass es sich für die Serie eignet. „Die Autoindustrie kann dabei wenig von den Luftfahrtunternehmen lernen, denn die verhält sich konservativ und verändert zugelassene Werkstoffe und Prozesse eher selten“, sagt Peter Martin, CFK-Fachmann und Geschäftsführer von KTM Technologies. Das Unternehmen baut den futuristisch gestylten Kunststoff-Sportwagen namens X-Bow. Martin, der früher für den heutigen McLaren- und VW-Lieferanten Carbotech in Salzburg arbeitete, ist sich sicher: „Die Entwicklungs-Rallye beginnt erst.“

Die Nase vorn hat dabei das Institut für Kunststoffverarbeitung IKV. Vergangene Woche präsentierten seine Forscher auf einem Fachkongress an der RWTH Aachen den Prototypen einer Anlage, mit der die Fertigung von komplexen Kohlenfaserteilen in nur noch 280 Sekunden möglich sein soll. Das sind mehrere Minuten weniger, als BMW für seine Fertigung braucht. Institutsleiter Fischer ist sicher, das Verfahren bei großtechnischer Anwendung nochmals um 100 Sekunden verkürzen zu können.

Per Ultraschall auf Risssuche

Und es besteht weiterer Forschungsbedarf. Denn anders als Stahl oder Aluminium kann ein Bauteil aus CFK bisher nach einem Unfall nicht repariert, geschweißt oder ausgebeult werden. Es zerbricht bei Überlastung in kleine messerscharfe Splitter. Aber auch wenn es nicht gleich bricht, kann die Struktur bei einem kleinen Rempler schwere Schäden davontragen, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind. Dann müsste das Auto in der Spezialwerkstatt mit einem Ultraschallgerät, wie es Ärzte heute zur Untersuchung etwa bei Schwangeren benutzen, auf verborgene Risse untersucht werden.

Immerhin ist inzwischen geklärt, wo die defekten Teile entsorgt werden können. Anfang Februar wurde in Wischhafen bei Hamburg die weltweit erste gewerbliche Anlage zum Recycling von CFK-Verbundstoffen in Betrieb genommen. In der fünf Millionen Euro teuren Anlage, die der Hamburger Entsorger Karl Meyer gebaut hat, werden unter großer Hitze die Kohlenfasern vom Harz getrennt. Flugzeughersteller und Autobauer, die früher ihre Produktionsreste einfach auf die Mülldeponie warfen, müssen dank verschärfter Abfallbestimmungen der EU die Teile in einer Müllverbrennungsanlage teuer entsorgen – oder in Hamburg verwerten.

Die Wiederverwertung ist ein weiterer Meilenstein zur Verbilligung des Wundergarns und der Serienfertigung.

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