Auto von der Rolle

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Lange war leichter und stabiler Kohlefaser-Kunststoff (CFK) nur in der Luftfahrt zu Hause. Doch nun setzt auch die Autobranche auf den Verbundwerkstoff, um bei Elektroautos das Gewicht der Batterien zu kompensieren. Dabei müssen die Autobauer aber in ganz anderen Kategorien denken als die Luftfahrt-Ingenieure.

Ein sattes "Klonk" übertönt das Surren der Walzen und Greifarme im Gebäude 60 des Landshuter BMW-Werks. "Jetzt wurden die Kanten abgeschnitten", erklärt Projektleiter Jochen Töpker. Zu sehen ist davon nichts. Die Maschine, die hier Dächer aus carbonfaserverstärktem Kunst-stoff (CFK) für das Sportcoupé M3 herstellt, arbeitet vollautomatisch, Abdeckungen verhindern die Sicht. Und langsam ist sie auch: Noch verlassen täglich nur rund 50 Bauteile die Produktion. Doch wohl nicht mehr lange: Die Kleinserie soll die Keimzelle für eine Umwälzung im Autobau werden – die Massenfertigung von kompletten CFK-Karosserien.

Bisher wird der edle Leichtbauwerkstoff vor allem dort eingesetzt, wo es auf jedes Gramm ankommt und Kosten nur eine untergeordnete Rolle spielen – in der Luft- und Raumfahrt etwa, bei Windkraftanlagen oder in der Formel 1. Der Riesen-Airbus A380 besteht bereits zu 20 Prozent aus CFK, beim Boeing Dreamliner und beim Airbus A350 XWB sollen es mehr als 50 Prozent werden. Dass der Verbundwerkstoff nun aber auch in die Auto-Großserie einziehen soll, hat einen einfachen Grund: Elektroautos schleppen so viel Gewicht in Form von Batterien mit sich herum, dass sie andernorts dringend abspecken müssen – etwa bei der Karosserie: Der Leichtbau mit Stahl und Aluminium ist weitgehend ausgereizt, CFK wiegt jedoch bei gleicher Funktion 50 Prozent weniger als Stahl und 30 Prozent weniger als Aluminium.

Als erstes Großserienfahrzeug mit CFK-Karosserie will BMW das Elektroauto "Megacity Vehicle" (MCV) [mittlerweile auf der Automobilausstellung IAA unter der Bezeichnung i3 vorgeführt] ab 2013 in fünfstelligen Stückzahlen auf den Markt bringen. Dabei muss der Autobauer das Herstellungsverfahren für CFK gewissermaßen neu erfinden, denn die langjährige Erfahrung der Luftfahrtindustrie lässt sich nur begrenzt auf die Autobranche übertragen. Flugzeug- und Autobauer denken nämlich in ganz anderen Dimensionen: Während in der Luftfahrtbranche dreistellige Stückzahlen schon als Großserie gelten, geht es bei den Kfz-Herstellern um Zehntausende von Teilen. Und während Flugzeughersteller mit Taktzeiten von drei Stunden pro Bauteil leben können, streben Autobauer Zeiten von unter zehn Minuten an.

Dementsprechend unterscheiden sich die Wege vom Rohstoff bis zum fertigen Bauteil grundlegend zwischen Auto- und Flugzeugbranche. Das beginnt schon mit der Carbonfaser selber. "Das gesamte System ist äußerst komplex", sagt der promovierte Kunststoffingenieur Töpker. "Was bei der Faser schiefläuft, bekommst du nachher nicht mehr in Ordnung." Typische Fasern für die Luftfahrt bestehen aus rund 3000 Einzelfilamenten und zu 99 Prozent aus Kohlenstoff. Sie sind sehr steif – und mit bis zu dreistelligen Beträgen pro Kilo sehr teuer. "Bei der Luft- und Raumfahrt ist Steifigkeit alles, aber wir brauchen diese Steifigkeit gar nicht", sagt Töpker. Zudem lassen sich die hochwertigen Fasern für Luft- und Raumfahrt wegen ihrer Sprödigkeit schlecht verarbeiten. Für eine Auto-Karosserie sind preiswertere Fasern mit 95 Prozent Kohlenstoffanteil und 50000 Filamenten besser geeignet.

Doch woher sollen die passenden Fasern kommen? Die weltweite Kapazität für Carbonfasern der gewünschten Qualität beträgt derzeit nur gut 30000 Tonnen im Jahr – ein Klacks im Vergleich zum mehr als eine Milliarde Tonnen umfassenden Stahlmarkt. Allein BMW plant in Landshut, "mehrere tausend Tonnen" C-Fasern jährlich zu verarbeiten, also einen substanziellen Teil des gesamten Weltmarkts. Um den Nachschub an Fasern zu sichern und an der gesamten Wertschöpfungskette beteiligt zu sein, hat der Autobauer in Wackersdorf ein Joint Venture mit dem deutschen Kohlefaserspezialisten SGL Carbon gegründet. "Das Joint Venture ist ein Vorreiterprojekt, das die Mitbewerber unter Zugzwang setzen und weitere Vorhaben nach sich ziehen wird", heißt es in einer Studie der Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe. Die Autoren rechnen also damit, dass Autohersteller sich künftig nicht nur bei der Verarbeitung, sondern auch bei der Herstellung von Carbonfasern engagieren werden.

Auch bei der weiteren Verarbeitung der Fasern zum fertigen Bauteil müssen die Autobauer ihren eigenen Weg gehen und können die etablierten Verfahren der Luftfahrtindustrie nur begrenzt nutzen. Dort gilt die sogenannte Prepreg-Technik als State of the Art: Mit Harz imprägnierte Kohlefasern werden – wie Klebeband – auf einer Rolle angeliefert, und ein Roboter-Arm legt damit eine Form aus. Anschließend muss das Bauteil in einem großen Backofen unter hohen Temperaturen mehrere Stunden aushärten. Für größere Stückzahlen sind Prepregs also keine Option. Die Autohersteller setzen deshalb auf das Harz-Injektionsverfahren ("Resin Transfer Moulding", RTM, siehe Grafik rechts). Wie es funktioniert, lässt sich bei der Produktion der M3-Dächer in Landshut beobachten.