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Drucksache 17/13672 – 66 – Deutscher Bundestag – 17. Wahlperiode hen Aluminium- und Magnesiumanteilen sowie einem kleinen Anteil an CFK. Hierbei werden strukturfestigende Kunststoffverbindungen mit dünnwändigen Stählen kombiniert. Des Weiteren wird von einem Wachstum im Bereich der Kunststoffe und glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffe ausgegangen (McKinsey 2012), letztere spielen im Karosseriebereich allerdings eine untergeordnete Rolle, da sie aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften nur bedingt für tragende Aufbauten und Bauteile infrage kommen (Kurek 2010; Durst 2008). In Abhängigkeit der Fahrzeugklasse könnten somit im Jahre 2030 unterschiedliche Leichtbaumaterialmixe rentabel sein (McKinsey 2012): – Bei Kleinwagen und in der Kompakt- und Mittelklasse ist bei einer Gewichtsreduktion von circa 250 kg von einem kostengünstigen Materialmix aus hochfesten Stählen (48 Prozent), konventionellem Stahl (15 Prozent) und circa 10 Prozent Aluminium und Kunststoff auszugehen. Die Mehrkosten liegen hierbei bei circa 3 Euro je eingesparten kg (Trechow 2012). – In der Oberklasse ist von einer Gewichtsersparnis von 420 kg auszugehen, bei durchschnittlichen Mehrkosten von 4 Euro/kg. Vereinzelt können auch Kosten von 5 bis 14 Euro pro kg Gewichtsabnahme, beispielsweise für hybride Bauteile, gerechtfertigt sein (McKinsey 2012). – Lediglich im Luxussegment und bei hochwertigen Elektrofahrzeugen ist wegen der großen Gewichtseinsparung von circa 500 kg von einem hohen Anteil an CFK (50 Prozent), Leichtmetallen und hochfesten Stählen (40 Prozent) sowie konventionellem Stahl (circa 10 Prozent) auszugehen (Trechow 2012). Da durch den Einsatz von CFK auch Image und Designaspekte vermittelt werden sollen, wird den Mehrkosten eine geringere Bedeutung zugewiesen, wodurch selbst Kosten von 15 bis 20 Euro je eingesparten kg keine Hindernisse darstellen sollten (McKinsey 2012). Tabelle IV.4 gibt einen Überblick über die Einführung und Einsatzfelder von Leichtbauwerkstoffen im Automobilbau in den kommenden 20 Jahren. Zukünftige CFK-Herstellungs- und Fertigungsverfahren Derzeit gängige Verfahren zur Herstellung von carbonfaserverstärktem Kunststoff sind aufgrund ihrer langen Prozesszykluszeiten und Kostenintensität auf Klein- und Mittelserien begrenzt (Durst 2008). Der Vergleich der Kostenstruktur von einfachen und komplexen CFK-Bauteilen im Automobilbereich weist einen Anteil von 65 bis 75 Prozent für Fertigungs- und Werkzeugkosten aus, wohingegen die Kosten für die Ausgangsprodukte (Rohfaser und Harz) nur bei 15 bis 25 Prozent liegen (Frost & Sullivan 2011a). Der größte Stellhebel zur wirtschaftlichen Herstellung von CFK-Leichtbauteilen liegt daher im Bereich moderner Fertigungsverfahren. Heutzutage wird ein Großteil der Teile noch in händischer Kleinserienarbeit gefertigt. Ein Hemmnis, das die Entwicklung hochautomatisierter Fertigungsverfahren erschwert, besteht in den vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten des Faseraufbaus, welche anwendungsabhängige Fertigungsvariabilitäten erfordern (Propfe et al. 2011). Ein weiterer Nachteil liegt in den uneinheitlichen Strategien der Fahrzeughersteller im Umgang und den Einsatzfeldern von CFK-Verbundwerkstoffen. Einem gezielten lokalen Einsatz in einer Multimaterialstruktur (Durst 2008) steht beispielsweise der großflächige Einsatz von CFK bei der BMW Submarke BMW i gegenüber (Propfe et al. 2011). Für eine Großserienproduktion ist daher die gesamte Prozesskette von der Herstellung der Rohfaser über die Vorfertigung der Halbzeuge (Gelege und Gewebe) mittels automatisierter Verfahren der Textiltechnik und Montagetechnik zu optimieren und gezielte Prozessverbesserungen bei den Fertigungsprozessen für automobile CFK- Bauteile zu erschließen (Durst 2008). Die gängigsten Fertigungsprozesse lassen sich in Handlaminierungsverfahren und Harztransferverfahren, bei denen die Fasern automatisiert mit dem Harzmatrixwerkstoff infiltriert werden, unterscheiden. Weitere Differenzierungsmerkmale bestehen beispielsweise in den Druckverhältnissen während der Infiltration oder der Eignung zur Kombination mit unterschiedlichen Faserhalbzeugen (Frost & Sullivan 2011a). Vorteile der Prepregtechnologie, in der vorimprägnierte Fasern gekühlt angeliefert werden, liegen beispielsweise in den herausragenden mechanischen Eigenschaften der resultierenden Bauteile (Henning/Moeller 2011), wohingegen die Preformtechnologie eine fasergerechte und fertigungsoptimierte Bauweise zur optimalen Ausnutzung der Fasereigenschaften garantiert (Durst 2008). Tabelle IV.5 fasst die wichtigsten Verfahren in einer Übersicht zusammen. Marktsituation im Bereich carbonfaserverstärkter Kunststoffe Die erhöhte Nachfrage nach Leichtbaupotenzialen von carbonfaserverstärkten Kunststoffen im Flugzeugbau, der Windenergie, der Automobilindustrie und der Freizeitartikelherstellung führt zu einer stärkeren Positionierung der Marktteilnehmer, sodass derzeit viele Verschiebungen und Neukonstellationen zu beobachten sind (Wilms et al. 2010). Derzeitige Schätzungen gehen alleine für die Automobilindustrie in den kommenden Jahren (bis 2017) von einem jährlichen Wachstum des CFK-Bedarfes von über 30 Prozent an Umsatz und Volumen aus (Frost & Sullivan 2011a).
Deutscher Bundestag – 17. Wahlperiode – 67 – Drucksache 17/13672 Tabelle IV.4 Zeitleiste für die Einführung von Leichtbaumaterialien in die automobile Mittel- und Großserie (2010 bis 2030) hochfeste und höchstfeste Stähle Aluminium Magnesium Kunststoffe, Faserverbundwerkstoffe Quelle: NRC 2010, ergänzt durch Frost & Sullivan 2011a 2010 2015 2020 2025 2030 Karosserie: Anbauteile, B-Säule, Unterboden, Türrahmen, Motorauf- hängung, Längsträger, Querstreben, lokale Karosserieverstärkungen, Stoßstangenträger, Schweller Fahrwerk: Radaufhängungen, Verstärkungen andere: Felgen Karosserie: Dach, Kofferraumdeckel, Stoßstangenträger, Motorhauben Fahrwerk: Vorderachsträger, Achsaufhängungen, Hinterradaufhängung, Lenkgestänge Antriebssystem: Antriebsstrangkomponenten, Zylinderblock, Kurbelwellengehäuse Elektrik: Kabelstrang vermehrter Einsatz von höchstfesten Stählen in den identischen Anwendungs- bereichen Karosserie: Türen, Kotflügel, Heckklappen, Radabdekkung, diverse Anbauteile Karosserie: Verstärkungsstreben und -träger, Bereich der Seitentüren Karosserie: Innenteile im energieabsorbierende Antriebssystem: Motorblock crashrelevante Strukturkomponenten Antriebssystem: Komponenten des Ansaugsystems Interieur: Sitzbestandteile, Instrumentenanzeige, Cockpitbestandteile Andere: Felgen Karosserie: Kofferraumdeckel, Seitenspiegelgehäuse, Anbauteileaufhängung, Unter- bodenverkleidung Antriebssystem: Abdeckungen und Verkleidungen, Komponenten des Ansaugsystems Interieur: Instrumentenanzeige, Cockpitbestandteile andere: Stoßfänger, Verkleidungen Karosserie: Türen, Dach, Kotflügel, Unterboden, B- und C-Säule, Seitenaufprallschutz, Motorauf- hängung Interieur: Verkleidungen, vibrations- und geräuschdämmende Anwendungen, Sitzbestandteile, Schalthebel Antriebssystem: Getriebe- tunnel, andere: Substitution von Glas durch Polycarbonate insgesamt geringere Prozentanteile von Stahl am Fahrzeuggewicht, spezifische Eigenschaften neuer Stahlvarianten erlauben Einsatz verbesserter Formfertigungsverfahren und ermöglichen die Anwendung komplexerer Bauteilgeometrien Karosserie: Anbauteile insgesamt höhere Prozentanteile am Fahrzeuggewicht, weitere Anwendungen in Abhängigkeit der Materialkosten Karosserie: Motorraum, Motorverkleidung insgesamt geringe zusätzliche Anwendungsbereiche Antriebssystem: Getriebebauteile (voraussichtlich) insgesamt höhere Prozentanteile am Fahrzeuggewicht, neu entwickelte Materialien/Werkstoffe mit verbesserten Steifigkeitseigenschaften erlauben den Einsatz in strukturkritischen Anwendungsbereichen, Weiterentwicklung und erhöhter Einsatz von Metall-/Kunststoffhybriden
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