Leichtbau mit CFK: Prozesse müssen weiter optimiert werden

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Der Leichtbau von Fahrzeugen gilt in der Automobilindustrie als ein wichtiger Stellhebel, um die gesetzlich vorgeschriebene Reduzierung von Treibhausgasen zu erfüllen sowie die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen. Dabei gewinnen faserverstärkte Kunststoffe (FKV) für den Fahrzeugleichtbau kontinuierlich an Bedeutung. Es gibt zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten von Glas- oder Kohlenstofffasern unterschiedlicher Länge – von Kurzfasern über Langfasern bis hin zu Endlosfasern – mit verschiedenen Matrixkunststoffen (Duroplaste und Thermoplaste). Besonders kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) werden in der Automobilindustrie als leichte Konstruktionswerkstoffe beliebter.

Das aktuell bedeutendste Marktsegment von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ist zwar nach wie vor die Luft- und Raumfahrt inklusive Verteidigung mit etwa 30 Prozent des globalen CFK-Bedarfs, jedoch folgt an zweiter Stelle bereits der Fahrzeugbau, auf den rund 22 Prozent des globalen Bedarfs entfallen (rund 26.000 Tonnen CFK). So lesen sich die Ergebnisse der Studie "Der globale CFK-Markt 2016", den der Verband Carbon Composites e.V. (CCeV) erstellt und im Rahmen der Composite Europe im November vorgestellt hat. Die mittleren erzielbaren Umsätze für Automotive liegen bei 86 US-Dollar pro Kilogramm (Luftfahrt bei 310 $/kg, Wind Turbinen bei 97$/kg ) wobei Automotive derzeit etwa 12 Prozent Marktanteil ausmacht. 

Preise für CFK weiterhin hoch

Aus dem erwirtschafteten Umsatz und dem weltweiten Bedarf von Carbon Composites (CC) errechneten die Autoren der Studie auch einen "imaginären" branchenspezifischen CC-Kilogrammpreis. Dieser liege für den Fahrzeugbau bei circa 82 Euro pro Kilogramm (86 US-Dollar). Im vergangenen Jahr lag dieser den Branchenexperten zufolge bei 87 US-Dollar. "Es überrascht ein wenig, dass der Mittelwert des Fahrzeugbaus nach wie vor in Regionen liegt, die weit entfernt vom von der Branche geforderten Minimum sind", stellen die Autoren Thomas Kraus und Michael Kühnel in dem CCeV-Marktbericht fest. Natürlich könne dies teilweise durch Sport- und Premium-Anwendungen im Fahrzeugbau erklärt werden. Dennoch bleibe die Vermutung, dass die erwarteten preislichen Minimalwerte nur die untere Grenze eines auch in Zukunft breiten Spektrums sein werden.

"Die Kosten für einzelne serielle Bauteile sind auf bereits unter 40 US-Dollar pro Kilogramm gesunken, was aber noch keinen weltweiten Standard ausmacht", sagt Dr. Hubert Jäger. Er ist Professor für Systemleichtbau und Mischbauweisen an der TU Dresden und unter anderem Vorstandsvorsitzender des Verbands Carbon Composites. Professor Jäger ist jedoch davon überzeugt, dass sich dank innovativer Prozesse und Verfahren die Fertigungskosten für CFK um 90 Prozent senken lassen. Da die Herstellungskosten derzeit immerhin einen Anteil von 80 Prozent am Gesamtpreis haben, könnte dies den Preis für CFK in Zukunft deutlich senken.

Virtuelle Optimierung der Prozesse

So könnte künftig unter anderem die Prozesssimulation ein wichtiger Stellhebel werden, um den Herstellungsprozess von Faserverbundwerkstoffen zu verbessern und damit auch die Kosten zu senken. Forscher an der Universität Stuttgart haben beispielsweise untersucht, wie insbesondere die Prozesse Flechten und Harzinjektion virtuell abgebildet werden können.

Durch die virtuelle Optimierung der Prozesse können die Prozessrandbedingungen derart angepasst werden, dass zum einen […] die geforderte ideale Faserarchitektur erreicht wird und zum anderen der Prozess als solcher kostengünstiger, planbarer, schneller oder überhaupt erst ermöglicht werden kann", schreiben die Forscher des Instituts für Flugzeugbau (IFB) der Universität Stuttgart im Fachartikel "Prozesssimulation als Basis für die Industrie 4.0" in der lightweight.design 6/2016.

Unter der Voraussetzung guter Simulationsmodelle kann den Experten des IFB zufolge die Prozessierbarkeit überprüft und eine Prozessoptimierung hinsichtlich der Anlaufzeiten im Realprozess, der Taktzeiten oder der zu erwartenden Kosten erreicht werden. Die Autoren schreiben: "Ziel dieser Art der virtuellen Prozesskette ist die virtuelle Abbildung und Vorhersage der gesamten Produktion. Somit soll einerseits eine optimale Fertigung, in der das spezifische Verhalten des verwendeten Materials berücksichtigt wird, gewährleistet und andererseits die Eigenschaften des finalen Bauteils detailliert vorhergesagt werden".