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Berlin: Ultraleicht und härter als Stahl: Wie sich Carbon im Auto etabliert

Berlin : Ultraleicht und härter als Stahl: Wie sich Carbon im Auto etabliert

BMW hat es beim i3 vorgemacht. Auch Kleinwagen kann man aus Carbon bauen, ohne dass die Kosten für den Kunden explodieren. Doch bislang kommt der zugleich ultraleichte, aber auch sehr teure Werkstoff in Serienfahrzeugen nur selten zum Einsatz. Meist sind es edle Sportwagen, die mit hohen Margen verkauft werden und bei denen der Endpreis für Kunden eine untergeordnete Rolle spielt.

Doch Experten sagen dem aus Kohlenstoff gefertigten Material eine rosige Zukunft voraus. Eine Zukunft, die je nach Fahrzeugsegment aber verschieden aussehen wird.

Carbon ist kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, kurz CFK. Dabei handelt es sich in der Regel um „Kunststoff, der pyrolysiert wird“, erläutert Professor Lutz Eckstein, Leiter des Instituts für Kraftfahrzeuge (IKA) an der RWTH Aachen. Was nach der Hitzebehandlung übrig bleibt, ist eine Kohlenstoffstruktur mit hoher Festig- und Steifigkeit. Bei Formel-1-Wagen ist CFK schon lange im Einsatz, dort ist oft das Cockpit aus dem Werkstoff gefertigt. Doch es scheint, als rentiere sich Carbon so langsam auch im zivilen Bereich.

„Der Trend geht grundsätzlich zum Leichtbau, dazu gehört auch CFK“, sagt BMW-Sprecher Cypselus von Frankenberg. Zudem würden die Sicherheitsanforderungen an Autos höher, dem könne man mit Carbon gerecht werden, ohne beim Auto Zusatzgewicht zu verursachen. Und bei Mercedes heißt es: „Die Verwendung von CFK-Teilen ist Bestandteil unserer Leichtbaustrategie.“

Eckstein macht einen Trend zum verstärkten Einsatz von CFK aus: „Ein wesentlicher Treiber sind die CO2-Emissionsziele.“ Denn werden die Fahrzeuge leichter, verbrauchen sie weniger Sprit, damit stoßen sie auch weniger Schadstoffe und Kohlendioxid (CO2) aus. Gegenüber Aluminium, einem Metall, mit dem zum Beispiel Audi seine Leichtbauweise stark vorangetrieben hat, ist CFK laut dem Experten nochmals um 20 Prozent leichter. Im Vergleich mit Stahl ist es nur halb so schwer.

Ein weiterer Vorteil sind die sogenannten Sekundäreffekte, die Klaus Drechsler, Professor am Lehrstuhl für Carbon Composites der Technischen Universität München, sieht: „Bei geringerer Fahrzeugmasse genügen kleiner dimensionierte Bremsen, und kleinere Motoren bringen die gleichen Fahrleistungen.“ Einen Vorteil bietet Carbon beim aktuellen Stand der Akkutechnologie auch bei Elektroautos. „Die Masse der Batterie ist ein Stück weit kompensierbar“, sagt Eckstein. Mit sinkendem Gewicht steigt die ohnehin dürftige Reichweite der E-Mobile - oder die teure Batterie kann kleiner dimensioniert werden.

Auch auf die Werkstattbesuche bei Karosserieschäden hat Carbon Auswirkungen. „Die Reparatur ist zum Beispiel bei Stahl weniger komplex“, erläutert Eckstein: „Im Falle von CFK ersetzt man ganze Teile, um einen optimalen Faserverlauf zu bewahren.” Die Folge: Die Reparatur wird teurer. Auf der anderen Seite ist das Auto danach wieder im 1-A-Zustand. Bei Stahl kann das anders sein, denn beim Schweißen können Fehler passieren.

Die Vorzüge von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff sind schon lange bekannt. Dass er sich bislang bei Serienfahrzeugen nicht durchgesetzt hat, liegt an der Fertigung, die oft noch Handarbeit voraussetzt. „Der Herstellungsprozess ist energie- und kostenaufwendig”, weiß Eckstein. Er sieht jedoch ein „hohes Optimierungspotenzial“. Es gebe bereits vielversprechende Automatisierungsschritte in der Fertigung.

Drechsler erwartet, dass sich die Werkstoffkosten in den nächsten fünf Jahren halbieren werden. Bei den Prozesskosten, die sowohl Fertigung und Logistik umfassen, erwartet er sogar einen Rückgang von 90 Prozent. Und BMW vermeldet für die vergangenen zehn Jahre, die Kosten bereits um 50 Prozent gesenkt zu haben. Derzeit fährt der Münchner Hersteller im Carbon-Werk in Moses Lake (USA) die Produktion hoch. „Je mehr wir produzieren, desto stärker sinken die Kosten“, sagt BMW-Sprecher Frankenberg.

Trotzdem wird CFK noch lange teurer als Stahl bleiben, schätzt IKA-Leiter Eckstein. Das ist auch ein Grund dafür, dass sich selbst ein Premium-Hersteller wie Mercedes beim Thema zurückhält: „Vor einem breiteren Einsatz müssen sowohl die CFK-Herstellungsprozesse als auch die Materialverfügbarkeit auf ein wirtschaftlicheres und robusteres Niveau gebracht werden“, heißt es in Stuttgart.

Eckstein prognostiziert, dass der Einsatz stark vom Fahrzeugsegment abhängen wird. So erwartet der Ingenieur, dass CFK den Sportwagenbereich bald dominieren wird. Hersteller wie McLaren, Bugatti oder Lamborghini machen es schon vor und fertigen Autos weitgehend aus Carbon.

Im Premium-Segment werde sich eine Hybridbauweise durchsetzen, bei der ein Materialmix aus CFK, Aluminium und Stählen zum Einsatz komme. Etwa Mercedes verfolgt die Strategie: Das richtige Material am richtigen Ort. „Komplette CFK-Fahrzeuge sehen wir nicht als generelle Lösung“, sagt Sprecherin Andrea Häussler. Teile aus Carbon setzte der Hersteller bereits beim SLS AMG E-Cell ein, bei dem der Mitteltunnel aus CFK gefertigt wurde, sowie bei anderen AMG-Modellen. Bei der neuen C-Klasse hingegen wurde die Gewichtsersparnis durch Aluminium und hochfeste Stähle erreicht.

Auch bei BMW ist die Hybridbauweise das Mittel der Wahl. Branchengerüchten zufolge plant der Hersteller, beim für 2015 erwarteten neuen 7er Teile wie Motorhaube, Kofferraumdeckel oder die Türen aus Carbon zu fertigen, was rund 100 Kilogramm Gewichtsersparnis bringt. Sprecher Frankenberg wollte das allerdings nicht bestätigen und sagte: „Es ist noch nicht definitiv festgelegt, wie es weiter geht, aber es wird weitere Einsätze von Carbon in weiteren Baureihen geben. Wir schauen uns verschiedene Karosseriebauteile an.“

Bei kleineren und kompakteren Autos mit geringeren Gewinnmargen wird das Thema Leichtbau laut Eckstein vorwiegend aber durch die günstigere Stahl-Blech-Schalenbauweise oder Aluminium als Außenhaut umgesetzt. Ähnlich sieht das sein Kollege Drechsler: „In der Großserie werden wir keine komplette CFK-Karosserie sehen.“ Dass die Wissenschaftler mit ihrer Einschätzung nicht falsch liegen, belegt die Strategie bei VW.

Der Wolfsburger Hersteller stellte mit dem Spritsparauto XL1 zwar schon eine CFK-Karosse auf die Räder. Doch ist das Fahrzeug eher eine Machbarkeitsstudie, denn Carbon wird es bei VW so schnell nicht geben. Bei einem Massenhersteller von Großserienfahrzeugen par excellence ist der Kostendruck weit höher als etwa bei einer Manufaktur, die Edelflitzer für Millionäre baut. „Wir müssen sehen, dass das Ganze marktfähig bleibt“, sagt VW-Technologie-Sprecher Harthmut Hoffmann. Um Gewicht einzusparen, arbeitet der Konzern für die Großserie derzeit mit hochfesten Stählen, die auf 700 bis 800 Grad Celsius erhitzt dünner als sonst gepresst werden können. „So werden sie leichter und fester“, sagt Hoffmann.

Eine Mischbauweise ist allein schon aus Gründen der Crash-Sicherheit vonnöten. „Für die B-Säule ist CFK ungeeignet, weil es sich nicht verformt. Das aber wollen wir zugunsten eines guten Crash-Verhaltens“, erläutert Eckstein. Dagegen sinnvoll wäre es, Teile des Vorderwagens aus CFK zu fertigen, weil das Carbon bei Unfällen weit mehr Aufprallenergie absorbieren kann als Stahl oder Alu. „Das größte Einsatzpotenzial sehe ich im Bereich der energieabsorbierenden Bauteile“, pflichtet auch Carbon-Experte Drechsler bei. „Wir brauchen aber das ganze Konzert der Leichtbauwerkstoffe.“

(dpa)