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08.09.2021 | Leichtbau | Im Fokus | Onlineartikel

So entwickelt sich der Rohstoffbedarf im Leichtbau

Autor:
Thomas Siebel
4:30 Min. Lesedauer

Die Deutsche Rohstoffagentur hat die künftigen Rohstoffbedarfe für den Leichtbau im Automobil- und Flugzeugbau untersuchen lassen. Tailored Blanks, Aluminium-Lithium und CFK spielen eine Schlüsselrolle.

Die Ziele des Leichtbaus sind im Wandel: Seit Jahrzehnten streben Automobilhersteller und Luftfahrtindustrie nach leichteren und damit kraftstoffsparenden Pkws und Flugzeugen. Ressourcen schonen soll der Leichtbau auch weiterhin, allerdings schon ab der Materialbeschaffung und in der Produktion. Kreative Ideen sind also gefragt, um mit weniger Material und Energie funktionale, leichte und zugleich robuste Strukturen zu entwickeln. Zum Flaschenhals könnte dabei allerdings die dafür erforderlichen Materialien entwickeln, wie Hubert Jäger und Maik Gude im Beitrag Leichtbauwerkstoffe in der Automobilindustrie von morgen für die lightweight.design 6/19 schreiben. Einerseits werden Ingenieure "mehr als bereits heute den ultimativen Leichtbauansatz je Fahrzeugsystem" finden müssen, andererseits werden "globale Rohstoffverfügbarkeiten unter regionalen Gesichtspunkten verstärkt die industriellen Leichtbauansätze treiben."

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01.12.2019 | Titel | Ausgabe 6/2019

Leichtbauwerkstoffe in der Automobilindustrie von morgen

Mit dem weltweiten Bevölkerungswachstum steigt der Bedarf an Mobilität. Um diese möglichst umweltfreundlich zu halten, wird der Leichtbau auch in Zukunft von zentraler Bedeutung sein. Jedoch wird sich neben den Anforderungen des Mobilitätswandels auch die Verfügbarkeit von Rohstoffen auf Leichtbauweisen auswirken.

Karosserie nicht mehr ohne Tailored Blanks

Mit welchen Rohstoffbedarfen im Pkw- und im Flugzeugleichtbau bis zum Jahr 2040 zu rechnen ist, hat die Deutsche Rohstoffagentur zusammen mit dem Fraunhofer ISI und dem Fraunhofer IZM untersucht. Als wesentliches Material für den automobilen Leichtbau haben die Autoren dabei die sogenannten Tailored Blanks ausgemacht, die vor allem für den Karosseriebau von Bedeutung sind. Tailored Blanks sind maßgeschneiderte Bleche mit lokal unterschiedlichen Eigenschaften. Dicke, Festigkeit oder Oberfläche können sich dabei innerhalb eines einzigen Blechs unterscheiden. Gefertigt werden Tailored Blanks durch das Verschweißen von Blechen unterschiedlicher Werkstoffgüten, durch Überlappung von Blechen oder durch lokal unterschiedliche Wärmebehandlungen. In Karosseriebauteile aus tiefgezogenen Tailored Blanks konzentrieren sich dann etwa hochfeste Stähle in crashrelevanten Bereichen, während weniger beanspruchte Abschnitte durch geringere Stahlgüten oder Dicken ausgeformt werden.

Gehandelt werden die Blechpatinen auch unter den Bezeichnungen TRIP-Stahl, Dualphasen- oder Komplexphasenstahl. In Fahrzeugtüren, Heckklappen oder A- und B-Säulen eingesetzt lässt sich das Gewicht einer Rohkarosserie nach Angaben der Autoren um 25 % senken. Mit derzeit in der Entwicklung befindlichen hybriden Tailored Blanks aus Stahl und Aluminiumblechen sind sogar noch leichtere Konstruktionen möglich.

Wirtschaftswachstum und Rohstoffbedarf entkoppeln

Die Autoren schätzen den derzeitigen Gewichtsanteil von Tailored Blanks in modernen Rohkarosserien auf 40 %. Da das Know-how im Umgang mit Blechen zunimmt und zugleich die Materialkosten sinken, halten die Autoren bis zum Jahr 2040 jedoch auch eine Verdopplung des Anteils auf 80 % für realistisch. Dadurch könnte der Rohstoffbedarf in der Karosserieproduktion erheblich sinken, wie die Autoren argumentieren. Ein durchschnittliches neu zugelassenes Fahrzeug wiege heute etwa 1.800 kg, wobei die Karosserie 25,5 % des Gesamtgewichts ausmacht. Durch den konsequenten Einsatz von Tailored Blanks ließe sich das Karosseriegewicht um weitere 11 % senken. Wenn die Anzahl der global produzierten Fahrzeuge bis 2040 um 84 % stiege, würde der Rohstoffbedarf für Karosserien im gleichen Zeitraum damit nur um 63 % steigen. Je nachdem, in welchem Maße sich die Weltgemeinschaft einem nachhaltigen Wirtschaften verpflichtet, schätzen die Autoren den Bedarf an Karosserieblechen im Jahr 2040 auf 56 bis 86 Mt gegenüber knapp 40 Mt im Jahr 2018.

Herkömmliche Aluminiumlegierungen unter Druck

Im Flugzeugbau sind Rumpf, Tragflächen, Triebwerksgondeln, oder kurz: der Airframe, seit jeher Gegenstand von Leichtbauoptimierungen. Die dominierende Rolle von Aluminiumverbindungen wird dabei zwar zunehmend von Verbundwerkstoffen herausgefordert, dennoch dürften Aluminium auch künftig das meistbenutzte Material bleiben. Das liegt den Autoren zufolge an der großen Zahl an Kurz- und Mittelstreckenflugzeugen wie der Airbus 320-Familie oder der Boeing 737, wo der Gewichtsvorteil der schwerer herzustellenden Verbundwerkstoffteile nicht so stark zum Tragen kommt. In Großraumflugzeugen wie dem Airbus 350 oder der Boeing 787 Dreamliner hingegen dürften Verbundwerkstoffe, allen voran CFK, ihre bereits heute dominierende Rolle mit Gewichtsanteilen von circa 50 % festigen.

Herkömmliche Aluminiumwerkstoffe haben im Bereich der Schmalrumpfflugzeuge für Kurz- und Mittelstrecken aber dennoch einen schweren Stand. Zunehmend dürfte sie durch Aluminium-Lithium-Legierungen verdrängt werden, die aufgrund ihrer Schweißeignung das Vernieten der einzelnen Flugzeugteile überflüssig machen und Gewicht und Kosten in erheblichem Maße einzusparen vermögen.

Stark wachsende Bedarfe an Lithium und Silber

Auf Grundlage geschätzter Produktionszahlen von Airbus, Boeing und Bombardier sowie unter Berücksichtigung der Pandemieauswirkungen rechnen die Autoren für das Jahr 2040 mit einem Aluminiumbedarf für Flugzeugrümpfe von 330.000 bis 480.000 t sowie mit stark wachsenden Bedarfen an den Legierungsbestandteilen Lithium und Silber. Von den heute geförderten 95.000 t Lithium geht bislang nur ein sehr kleiner Teil in den Flugzeugbau, bis zum Jahr 2040 könnte die Nachfrage jedoch auf 4.200 bis 6.200 t hochschnellen. Ähnlich verhält es sich mit Silber, dessen Bedarf innerhalb von 20 Jahren von einem sehr geringen Niveau auf 1.200 bis 1.800 t steigen dürfte. Für Titan dürfte der Bedarf von heute 57.000 t auf 75.000 bis 100.000 t im Jahr 2040 wachsen. Ein Grund dafür ist die höhere Korrosionsbeständigkeit gegenüber Aluminium, insbesondere in Verbindungen mit CFK-Bauteilen. Die Nachfrage nach Kupfer als Legierungselement dürfte von 11.000 t im Jahr 2018 auf 12.000 bis 18.000 t wachsen.

Zum künftigen Bedarf an CFK und anderen Verbundwerkstoffen für den Bau von Flugzeugrümpfen machen die Autoren keine genauen Angaben. Allerdings rechnen sie für das Jahr 2040 mit einer jährlichen Lieferung von circa 440 Großraumflugzeugen, deren Airframes mit einem durchschnittliche Leergewicht von 110 t ungefähr zur Hälfte aus Verbundwerkstoffe bestehen dürften. Die Lieferung von Schmalrumpfflugzeugen dürfte auf 1.900 steigen, deren mittleres Airframe-Leergewicht von 40 t jedoch nur zu 6 % auf Verbundwerkstoffe entfallen dürfte.

Weiterführende Themen

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2021 | OriginalPaper | Buchkapitel

Karosserie

Quelle:
Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik

2016 | OriginalPaper | Buchkapitel

Blechumformung

Quelle:
Handbuch Umformtechnik

2020 | OriginalPaper | Buchkapitel

Motivation

Quelle:
Deformation Processes in TRIP/TWIP Steels

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