Mit Leichtbau immer höher hinaus – nicht nur in der Luftfahrt
Bei Leichtbau denken viele zuerst an die Luftfahrt. Der bedeutendste Leichtbau-Markt aber bleibt – zumindest im wörtlichen Sinn – auf dem Boden: die Fahrzeugindustrie. Eine Technologie nimmt hier besonders Fahrt auf: carbonfaserverstärkte Kunststoffe.
Leichtbau verringert das Verhältnis zwischen Gewicht und Belastbarkeit einer Konstruktion – bei mindestens gleich guter Funktion. Dabei denken die meisten zuerst an die Luftfahrt. Der bedeutendste Leichtbau-Markt aber bleibt – zumindest im wörtlichen Sinn – auf dem Boden: die Fahrzeugindustrie. Das derzeit wichtigste Segment sind dabei hochfeste Stähle in der Herstellung von PKWs. Doch die mit jährlich über 30 Prozent am schnellsten wachsende Technologie ist der Einsatz von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) bei Nutzfahrzeugen.
Technologie mit Tempo: carbonfaserverstärkte Kunststoffe
Zur Herstellung von Bauteilen zum Beispiel in der Fahrzeugindustrie werden die Carbonfasern meist mit Epoxid- oder anderen Harzen getränkt, die nach dem Aushärten als formgebende Matrix dienen. Die größte Herausforderung bei den so produzierten CFK sind die hohen Herstellungskosten – die sich jedoch einer Prognose zufolge bis zum Jahr 2030 um etwa 60 Prozent verringern lassen, vor allem durch Automatisierung.
Kritisch wird auch der hohe Energieeinsatz gesehen; beim derzeit üblichen Herstellungsprozess sind bis zu 3.000 °C nötig. Trotzdem können carbonfaserverstärkte Kunststoffe schon heute helfen, Treibhausgase zu vermeiden, zum Beispiel beim Einsatz in der Autoindustrie ab einer bestimmten Laufleistung des Fahrzeugs : 100 kg weniger Gewicht bedeuten eine Kraftstoffeinsparung von etwa 0,3 Liter pro 100 km.
Für ein drittes Problem – die Wiederverwertung von CFK – steht eine Lösung bereit: die thermochemische Spaltung (Pyrolyse). Dafür müssen den Recyclingunternehmen allerdings Materialkataloge der Produkte zur Verfügung stehen.
Carbonfaser auf Hochtouren – im Radrennsport und bei Bauinnovationen
Im Radsport kommt es auf jedes Gramm an. Leichtbau-Technologien sind so besonders für Meister-Rennfahrer von großem Interesse. Für Richard Banusch, den Deutschen Meister im Zweier-Mannschaftsfahren, hat der Fachbereich „Leichtbau mit strukturierten Werkstoffen“ der BTU (Brandenburgische Technische Universität) Cottbus-Senftenberg den Lenkervorbau optimiert: Die Konstruktion aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen wurde dadurch zugleich um 44,7 Prozent leichter und um 46,7 Prozent steifer – bei deutlich geringerem Luftwiderstand.
Nimmt man den Anteil der Leichtbau-Patente an allen Branchen-Patenten als Maßstab, ist die Bauindustrie die innovativste Leichtbaubranche. Eine Gewichtseinsparung von 30 Prozent ist hier nichts Besonderes. Mehr noch: Ersetzt man zum Beispiel bei leichten Betonbrücken die Stahlbewehrung vollständig durch eine aus Carbontextil, lässt sich das Flächengewicht von rund 600 kg/m² auf 310 kg/m² praktisch halbieren.
Carbonfaserverstärkte Kunststoffe sind das Paradebeispiel für den „Stoffleichtbau“: Der klassische Werkstoff Stahl wird durch einen mit besseren gewichtsspezifischen Eigenschaften wie Aluminium oder eben immer häufiger CFK ausgetauscht. Eine weitere Art ist der „konstruktive Leichtbau“. Derzeit wird geprüft, wie auch mit weniger Material die statischen Anforderungen erfüllt werden können.
Prognose: Aufwärts!
Fest steht: Leichtbau-Technologien entwickeln sich rasant – und mit ihnen auch die Branchen, die diese Innovationen nutzen.