Composites – viel erreicht und noch mehr viel zu tun!

Prof. Dr.-Ing. Ulf Breuer

Institut für Verbundwerkstoffe GmbH Kaiserslautern Strukturbauteile aus Composites, insbesondere solche aus faserverstärkten Kunststoffen, sind heute aus den meisten Bereichen des täglichen Lebens kaum mehr wegzudenken. Im Automobil, im Luftfahrzeug, in Sport- und Freizeitgeräten, in der Medizintechnik, im Maschinen- und Anlagenbau, in der Energietechnik, für Windkraftanlagen und in vielen weiteren Branchen haben sich diese Werkstoffe bereits fest etabliert und tragen schon lange zu nennenswerten Produktverbesserungen bei.

Insbesondere durch die Steigerung des Anteiles von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) an der Primärstruktur moderner Langstreckenverkehrsflugzeuge wie der Boeing 787 oder dem Airbus A350 sowie an einer neuen Generation von PKW-Strukturen (E-Mobilität) verspricht man sich durch das Leichtbaupotenzial noch weitere entscheidende Beiträge zur Einsparung fossiler Ressourcen. Gerade im Automobilsektor dominieren jedoch nach wie vor metallische Werkstoffsysteme, und der Anteil von  Faserverbundwerkstoffen in der tragenden Struktur ist global betrachtet vergleichsweise klein. Ob sich die werkstofflichen Vorteile von CFK gegenüber modernen Stahl- oder Aluminiumlegierungen, wie z.B. besseres Leichtbaupotenzial, Korrosionsfreiheit, Medienbeständigkeit, mögliche Ermüdungsfreiheit, verbesserte Energieabsorption u. a. längerfristig in Form einer wirklichen Substitution materialisieren lassen, ist vor allem eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Für jede Anwendung muss gezeigt werden, dass sich die im Vergleich zu konventionellen Werkstoffen höheren Herstellungskosten eines CFK-Bauteiles durch einen am Markt umsetzbaren höheren Erlös rechnen. Ein höherer Erlös kann u. a. dann gerechtfertigt werden, wenn sich in der Nutzungsphase der Produkte Vorteile ergeben, die beispielsweise durch verbesserten Leichtbau zu geringeren   Betriebskosten infolge geringeren Energiebedarfs führen. Während in der Raumfahrt zwischen 5 und 10 k€ höhere Herstellungskosten pro eingespartem kg Masse realisiert werden, sind in der Luftfahrt Werte zwischen 0,5 und 1 k€ typisch; für den Automobilbereich liegen die Werte jedoch um den Faktor 100 (!) niedriger. Dies zeigt, wie groß die Herausforderung insbesondere im PKWBereich für einen breiten Einsatz von CFK wirklich ist.

Auf der Ausgabenseite spielen sowohl die Kosten für die Ausgangsmaterialien (Kohlenstofffasern) und Halbzeuge (Prepregs, Textilien, Harze) als auch für die Fertigungsprozesse eine wichtige Rolle. Deswegen müssen Forschungsarbeiten heute vor allem auf solche Entwicklungen konzentriert werden, die wirkliche Innovationen und Quantensprünge im Hinblick auf eine kostengünstige Produktion von Bauteilen in großen Stückzahlen versprechen. Interessante Ansätze bestehen z.B. bei der Herstellung für hochfeste und hochsteife Fasern in der Verwendung alternativer Precursor. Für innovative Fertigungsverfahren sind Kombinationen von umformenden und urformenden Verfahren interessant. Hierbei werden mithilfe entsprechender neuer Methoden zur bauteil- und fertigungsgerechten Auslegung von hybriden Strukturbauteilen hochwertige, während der Verarbeitung nicht-fließfähige, unidirektional verstärkte Bereiche mit preiswerten fließfähigen  diskontinuierlichen Bereichen hoher Formteilkomplexität kombiniert. Auf der Erlösseite spielt die Maximierung des zusätzlichen Betriebsnutzens durch Einsatz moderner Composites eine wichtige Rolle. Forschungsansätze müssen sich zum einen auf eine noch bessere Ausnutzung der Möglichkeiten zur richtungsabhängigen Gestaltung von Festigkeit und Steifigkeit konzentrieren (z.B. vorteilhafte, gezielte Last-Verformungskopplungen von Strukturbauteilen im Betrieb oder vorteilhaftes richtungsabhängiges Versagensverhalten), zum anderen sind Forschungsarbeiten zu intensivieren, die sich mit der Integration zusätzlicher Funktionen in Composite- Bauteile befassen. Beispiele sind elektrische Leitfähigkeit, tribologische Funktionen, Schwingungsdämpfung, Stell- und Haltefunktionen, Strukturüberwachung, Isolation und viele andere Funktionen, deren Integration zu einem Mehrwert des Bauteiles im Betrieb führt. Schließlich besteht ein weiteres wichtiges Forschungsfeld für solche Composites, die auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt und wichtige Beiträge zur Nachhaltigkeit im Sinne der Agenda 21 leisten können. Um mit dieser Materialklasse, z.B. naturfaserverstärkten Werkstoffsystemen, in neue Anwendungsbereiche vordringen zu können, die bislang metallischen Werkstoffen vorbehalten sind, werden in der Forschungslandschaft vor allem Anstrengungen zur Verbesserung der strukturmechanischen Leistungsfähigkeit erforderlich sein.

Vor dem Hintergrund der genannten Herausforderungen sind neben einer konzentrierten öffentlichen Forschungsförderung sehr enge Partnerschaften zwischen Industrie und wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen unerlässlich, in denen die betreffenden Produkte und die werkstofflichen Alternativen ganzheitlich betrachtet und verstanden werden, um zu fortschrittlichen Lösungen für Herstellung, Betrieb und Entsorgung zu kommen.

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