Wieviel kostet Leichtbau?

Leichtbau im Automobil: Das ist nicht nur eine Frage der Gewichtseinsparung, sondern auch der Kosten. Je nach Leichtbau-Ansatz schwanken diese zwischen drei und 40 Euro pro eingespartem Kilogramm.

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Die Erwartungen an den Leichtbau in der deutschen Wirtschaft sind groß. Als Schlüsseltechnologie, gar als Game-Changer-Technologie wurde der Leichtbau zuletzt betitelt, da er verschiedenen Industriebereichen – von der Materialentwicklung, über den Maschinen- und Anlagenbau bis hin zu den Anwenderbranchen wie dem Automobilbau oder Luft- und Raumfahrt – Raum für Innovationen bietet. Die deutsche Forschung und Industrie bietet zudem gute Voraussetzungen, um im Leichtbau eine weltweit führende Rolle einzunehmen. Ob dies gelingt, hängt aber nicht zuletzt an folgender Frage: Ist Leichtbau wirtschaftlich?

Insbesondere für den Fahrzeugbau ist diese Frage relevant, denn die meisten Kunden sind nicht bereit, für ein leichteres Auto spürbar mehr Geld auf den Tisch zu legen. Die Entscheidung pro oder contra Leichtbau muss also streng nach ökonomischen Kriterien getroffen werden. Spielraum für Entscheidungen pro Leichtbau ist da, insbesondere in der Elektromobilität. Nach Analyse von Bernd Klein und Thomas Gänsicke steigen Leistungsbedarf und Kosten eines Batteriesystems proportional zum Eigengewicht eines Elektroautos. Im Kapitel Problemstruktur des Leichtbaus im Buch Leichtbau-Konstruktion rechnet sie für jedes Kilogramm Fahrzeuggewicht mit 13 Euro Batterie- beziehungsweise 16 Euro Antriebskosten (bei einer angenommenen Reichweite von 120 km). Bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen schätzen die Autoren die Antriebskosten auf fünf Euro je Kilogramm Fahrzeuggewicht. Allerdings, auch darauf weisen sie hin, nehmen die Herstellkosten mit zunehmendem Leichtbaugrad exponentiell zu, da auch die Kosten für Auslegung und Test als auch die Werkstoffkosten steigen. So ist etwa ein Kilogramm Aluminium gegenüber Stahl um circa drei Euro teurer, CFK um etwa 30. Die Bereitschaft, Mehrkosten für leichtere Komponenten in Kauf zu nehmen, ist den Autoren zufolge in verschieden Branchen unterschiedlich hoch ausgeprägt. So geben Unternehmen im Automobilbau bis zu sieben Euro für jedes eingesparte Kilogramm aus, es sei denn, das Fahrzeug soll elektrisch fahren: Dann ist jedes Kilogramm bis zu 18 Euro wert. In der Luftfahrt hingegen werden bis 500 Euro je eingespartem Kilogramm investiert, in der Raumfahrt sogar bis zu 3000.

Großserie setzt auf Metall

Am Beispiel der Kostenanalyse eines Gesamtbodenmoduls in CFK-Sandwichbauweise kommen Maximilian Hardt und Peter Middendorf im Buch Leichtbau durch Funktionsintegration zu dem Schluss, dass sich wirtschaftlich betrachtet besonders großvolumige Bauteile für eine Fertigung aus Faserverbundwerkstoffen eignen, während einzelne kleinere Bauteile möglichst mittels Funktionsintegration vermieden oder weiterhin konventionell gefertigt werden sollten. Dabei haben die Autoren eine jährliche Produktionsmenge von 100.000 Bodenmodulen angenommen. Zu den großvolumigen Bauteilen des analysierten Bodenmoduls zählen die Autoren etwa die Rücksitzbank oder den Heckbodenquerträger, die sich derzeit für weniger als 40 Euro je Kilogramm fertigen lassen.

Aufgrund der relativ hohen Kosten tröpfelt die Faserverbundtechnik bislang noch langsam von den höherpreisigen Fahrzeugsegmenten in die Großserie. Für größere Stückzahlen, wie etwa Volkswagen sie auch für seine E-Modelle anstrebt, bleiben weiterhin Metalle, insbesondere Stahl, die bevorzugte Werkstoffklasse, wie Oliver Schauerte, Leiter der Konzernforschung für Werkstoffe und Fertigungsverfahren, im Interview mit der lightweight.design  erläutert. Stahl ist Schauerte zufolge zum einen aufgrund des Preisdrucks aus China unschlagbar günstig, zum anderen habe die Stahlindustrie in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte bei neuen Güten erreicht, was Stahl als Leichtbauwerkstoff für die kostensensible Großserie interessant macht.

Leichtbaukosten unterscheiden sich je nach Bauteil

So verwundert es nicht, dass die Partner des 2019 abgeschlossenen Alliance-Projekts vor allem anhand metallintensiver Bauweisen demonstriert haben, wie Leichtbau in der automobilen Großserie wirtschaftlich umgesetzt werden kann. An dem Projekt waren untere anderem die Automobilbauer Daimler, Volvo, Volkswagen, Toyota, Opel und FCA-CRF beteiligt, die zusammen ungefähr 50 Prozent aller in Europa verkauften Autos produzieren. Den Partnern gelang es, durch Leichtbaumaßnahmen an Crash-Management-System, Türen sowie Motor- und Heckklappen das Gesamtgewicht eines für die beteiligten Partner typischen Fahrzeugs um über neun Prozent zu senken. Weitere Gewichtseinsparungen von sechs Prozent könnten den Forschern zufolge durch das Ausnutzen von Sekundäreffekten eingespart werden ­– wenn also aufgrund des geringen Gesamtfahrzeuggewichts beispielsweise auch Fahrwerks- oder Antriebskomponenten leichter ausgelegt würden. Die Kosten für die vorgeschlagenen Leichtbaumaßnahmen beziffern die Projektpartner auf unter drei Euro je eingespartem Kilogramm, wobei der genaue Betrag von Bauteil zu Bauteil abweicht: Eine durch den Einsatz von Aluminium um 44 Prozent leichtere Fahrzeugtür würde Mehrkosten von 4,45 Euro je eingespartem Kilogramm verursachen, ein 40 Prozent leichterer Heckstoßfänger würde je eingespartem Kilogramm sogar um 1,55 Euro günstiger.

Faserverbundwerkstoffe werden wettbewerbsfähig

Dennoch, obwohl im Massenmarkt aktuell noch auf Metalle gesetzt wird, dürften sich Hybridbauweisen unter Einsatz von Faserverbundwerkstoffen (FKV) auch bald in der Großserie etablieren. So sehen es jedenfalls die AZL-Geschäftsführer Michael Emonts und Kai Fischer. Im lightweight.design-Interview erläutern sie, dass die Fertigung mit FKV derzeit noch nicht effizient genug sei. Durchschnittliche Verschnittraten von 20 oder 30 Prozent etwa bei teuren Carbonfasern sprechen für sich. Sie erläutern jedoch, dass durch eine konsequente Vernetzung von Prozessketten FKV-Komponenten grundsätzlich so günstig hergestellt werden könnten, dass Faserverbundwerkstoffe schon bald vermehrt aus rein ökonomischen Gründen eingesetzt würden ­– Leichtbau wäre dann nur noch ein Sekundäreffekt.

Ähnlich sieht das auch Thomas Wolff, Leiter des Leichtbau- und Technologiezentrums bei BMW, im Interview mit der lightweight.design. Dennoch mahnt er zur Geduld: „Was Stahl in 100 Jahren und Aluminium in 50 Jahren an Leichtbaupotenzial aufgebaut haben, das wird die Faserverbundbauweise nicht in einer Fahrzeuggeneration schaffen können.“ Vier bis fünf Fahrzeuggenerationen wird es Wolff zufolge noch dauern, bis die Faserverbundtechnik wirklich wettbewerbsfähig ist.