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Carbon (CFK) im Automobilbau: Der Superwerkstoff Schwarzes Gold
Ein Supersportwagen mit einer Karosserie nur aus Carbon: Koenigsegg CCX
Selbst komplette Radträger lassen sich heute aus Kohlefaser fertigen. Die Formgebung des Bauteils stellt die Ingenieure aufgrund der spezifischen Werkstoff-Eigenschaften von Kohlefaser vor besondere Aufgaben
Carbon-Räder verringern ungefederte und rotatorische Massen, sind hinsichtlich Reifenmontage und Bordsteinrempler aber empfindlich
Der Le Mans-Renner Audi R18 e-tron quattro verfügt über eine geschlossene Sicherheitszelle aus Carbon. Sie schließt Überroll- und Seitenaufprallschutz ebenso ein wie den Schutz der Beine des Fahrers. An ihr „hängt“ zudem der Rest des Rennwagens
Der Aventador LP 700-4 setzt auf ein Kohlefaser-Monocoque mit Rahmenträgern aus Aluminium vorn und hinten
Der Volkswagen XL1 hat sich als 1-Liter-Auto minimalen Verbrauch als primäres Ziel gesetzt, was neben aerodynamischer und antriebstechnischer Effizienz auch Leichtbau voraussetzt. Auf das Leergewicht von nur 795 Kilogramm des mit einem Carbon-Monocoque ausgestatteten Sparwunders entfallen gerade mal 230 auf die Karosserie
Auch am Unterboden kann Karbon eingesetzt werden. Die Gefahr von Beschädigungen ist allerdings hoch
Als erster Großserien-Hersteller wagt BMW es, ein Automobil mit komplett aus Kohlefaser gefertigter Fahrgastzelle in Großserie zu bringen: den i3. Während das Chassis als solches aus Aluminium besteht, ist die darauf aufgesetzte CFK-Fahrgastzelle im RTM-Verfahren gefertigt. Erst diese rationelle Fertigung ermöglichte es, den Werkstoff Carbon in diesem Ausmaß zu vernünftigen Kosten einzusetzen. Das Leegewicht des i3 beträgt 1250 Kilogramm, die Fahrgastzelle bringt dabei nicht einmal 150 Kilogramm auf die Waage
Im Rennsport sind Carbon-Bremsen seit mehr als 20 Jahren im Einsatz. Aber erst die drastische Verringerung des Reibwertunterschieds bei kalten und warmen Bremsen durch Carbon-Keramik-Scheiben machten sie serientauglich. Die Vorteile – wie hier bei der Porsche Carbon Ceramic Brake PCCB – sind verringerte ungefederte Massen. Beim 911 lassen sich über PCCB rund fünf Kilogramm pro Rad einsparen
Im Autoklaven bei Lamborghini entstehen gerade auch Bauteile für den Sichtbereich. Für kleine Stückzahlen oder sichtbare Bauteile höchster Oberflächengüte ist die Autoklaven-Fertigung erste Wahl. Allerdings ist der Aufwand sehr arbeits- und zeitintensiv. Demgegenüber steht die RTM-Fertigung. Beim „Resin Transfer Moulding“ werden die Kohlefasergelege thermisch vorgeformt, dann wird Harz eingespritzt, und anschließend wird das Bauteil unter einer Last von bis zu 4500 Tonnen gepresst. Erst das RTM-Verfahren ermöglichte eine sinnvolle marktwirtschaftliche Umsetzung von Carbon im Serienautomobilbau – im großen Stil beim BMW i3, im kleinen bei Lamborghini.
Wabenstruktur im Schwellerbereich des BMW i3
Der Zuschnitt des Carbon-Gewebes ist Handarbeit
Auch die Belegung der Dachstruktur erfolgt bei Lamborghini manuell. Das macht die Produktion des Aventador LP 700-4 sehr aufwendig
Geringeres Gewicht bedeutet weniger Verbrauch und höhere Performance. Deshalb hält der Superwerkstoff Carbon mehr und mehr Einzug in den normalen Automobilbau
Was im Rennsport seit mehr als 20 Jahren gang und gäbe ist, findet nun in verstärktem Maße auch in der Serienfertigung Verwendung: kohlefaserverstärkter Kunststoff, kurz CFK oder Carbon. Hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht empfehlen die Wunderfaser für mechanisch hoch belastete Bauteile wie Karosserien, Räder und selbst Fahrgastzellen.
Komponenten aus CFK sind im Vergleich zu denen aus Stahl um 50 und zu denen aus Aluminium um 30 Prozent leichter. Im Gegensatz zu den beiden Metallen, deren Werkstoffeigenschaften in nahezu jeder Belastungsrichtung gleich sind, ist bei CFK die Faserausrichtung für die Bauteileigenschaften maßgebend. Der Grund: Die Faser weist zwar hohe Zugfestigkeitswerte, jedoch nur eine geringe Belastbarkeit in Druckrichtung auf. Zu beachten sind daher vor allem die Formgebung der Bauteile sowie die Materialbelegung, sprich die Anordnung der Gewebelagen.
Spezielle Bauteil-Gestaltung notwendig
Aus diesem Grund hat die Entwicklung Gewebetypen mit mehrdimensionalen Strukturen hervorgebracht, die sich zur Fertigung komplex belasteter Bauteile eignen. So existieren multiaxiale Gelege mit unterschiedlichen Faserwinkeln sowie 2D- und 3D-Geflechte. Sie ermöglichen es, einen Modellkern (Sandkern) zu umflechten und damit für eine ideale Faserstruktur selbst bei gekrümmten Formen zu sorgen. Zudem werden dadurch unerwünschte Verschiebungen der Fasern und damit der Kraftverläufe vermieden.
Bisher war Kohlefaser jedoch nur mit sehr hohem Aufwand zu verarbeiten, was den Einsatz zumeist auf teure Kleinstserien im Rennsport beschränkte. Bei der Herstellung eines Monocoques für einen Formel- oder Langstreckenrennwagen sind beispielsweise zunächst ein Modell und danach eine oder mehrere mehrteilige Formen zu bauen. Das bereits mit Harz getränkte Kohlefasergewebe – so genanntes Prepreg (Preimpregnated Carbonfibre = vorimprägnierte Kohlefaser) – wird im ersten Fertigungsschritt in die Form gelegt. Diese kommt danach in einen luftdichten Sack, in dem über eine Vakuumpumpe ein Unterdruck erzeugt wird, damit keine Lufteinschlüsse im Kohlefaser-Laminat entstehen.
Im nächsten Schritt wird das Teil unter Druck (bis zehn bar) und bei Temperaturen um 120 Grad Celsius gebacken. Dieser Vorgang – in der Fachsprache ‚Tempern‘ genannt – spielt sich über mehrere Stunden im Hochdruckofen, dem Autoklaven, ab. Dieser Prozess eignet sich freilich in keiner Weise für größere Stückzahlen, wie sie bei einer Serienfertigung anstehen. Deshalb wurde das RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) entwickelt. Hierbei werden die Kohlefaser-Gewebelagen, die im Gegensatz zum Prepreg-Verfahren noch nicht mit Harz getränkt sind, mit einem Presswerkzeug vorgeformt. Die Vorformlinge werden anschließend mittels einer Injektionsanlage mit Harz getränkt und unter Druck und Temperaturen um 100 Grad Celsius ausgehärtet.
Dieses Verfahren kommt etwa beim Lamborghini Aventador LP 700-4 zum Einsatz, bei dem die Fahrgastzelle aus dem schwarzen Superwerkstoff besteht. Die Besonderheit dabei: Anstelle einer schweren und aufwendigen Metallform arbeiten die Italiener in Sant’Agata Bolognese mit Formen aus Kohlefaser. Das gestaltet den Fertigungsprozess der durchschnittlich 3,5 gebauten Monocoques pro Tag einfacher und flexibler, so die Italiener. Das Ergebnis kann sich sehen lassen: So bringt das CFK-Monocoque gerade mal 147,5 kg auf die Waage, die gesamte Rohkarosse wiegt 229,5 kg.
Mit 1575 kg Leergewicht unterbietet der Supersportler seinen Vorgänger Murciélago SV so um fast 200 Kilogramm. Einen weitaus industrielleren Weg beschreitet die BMW Group bei der RTM-Produktion der Fahrgastzelle ihres Elektro-Autos i3 und später auch des i8. Durch ein Heizwerkzeug erhalten die Kohlefaser-Gewebelagen zunächst ihre Form. Anschließend erfolgen die Injektion des Harzes und das Verdichten in Presswerkzeugen mit einer Kraft von bis zu 4500 Tonnen. Genau definierte Werte für Zeit, Druck und Temperatur ermöglichen optimal kurze Prozesszeiten, ein schnell aushärtender Spezialkleber zum Verbinden einzelner Bauteile ist ein weiterer Schlüssel für eine schnelle und rentable Herstellung der i3-Fahrgastzelle. Damit übernimmt BMW zweifellos eine Vorreiterrolle beim Einsatz von Carbon im Serienautomobilbau.
Verringerung der ungefederten Massen
Auch die Herstellung von Rädern und Bremsscheiben aus Carbon bietet Vorteile – insbesondere durch die geringeren ungefederten Massen, die eine sensiblere Abstimmung der Federelemente erlauben, sowie durch das verringerte Trägheitsmoment, das sich in optimiertem Handling und einer verbesserten Beschleunigung bemerkbar macht.
Während in der Anfangsphase der Carbon-Bremsen in den 80er-Jahren noch ein beträchtlicher Reibwert-Unterschied zwischen kalten und heißen Bremsscheiben bestand, schritt die Technik bis heute derart voran, dass für Straßenautos weiterentwickelte Carbon-Keramik-Bremsen sogar Einzug in die Serie halten konnten. Bestes Beispiel ist die Porsche Carbon Ceramic Brake (PCCB). Neben einer Lebensdauer der aus keramisiertem Carbon bestehenden Bremsscheiben von bis zu 300.000 km ermöglicht sie beim 911 eine Gewichtsersparnis von insgesamt rund 20 Kilogramm gegenüber der Ausführung aus Stahl.
Wo liegen – neben dem hohen Fertigungsaufwand – die Nachteile des Superwerkstoffs? Gegenwärtig noch in der Reparaturfähigkeit von Unfallschäden sowie in der galvanischen Korrosion insbesondere zu Aluminium, was den klassischen Karosseriebau und die Fertigung vor neue Herausforderungen stellt. Konstruktiv stellen sich zudem die erhöhte Schall- und Vibrationsübertragung als besondere Aufgabenfelder. Bei Rädern ist hingegen die Reifenmontage mit möglichen verdeckten Beschädigungen kritisch zu sehen. Wir dürfen also gespannt sein, was der Automobilbau diesbezüglich noch liefert.
Jürgen Gassebner
