Leichtbau ist in aller Munde – Vor den Bestrebungen einer nachhaltigen Senkung der CO2-Emissionen und dem verantwortungsbewussten Umgang mit verbleibenden Ressourcen übernimmt das Themenfeld Leichtbau eine Schlüsselrolle mit großen Potentialen für viele Bereiche unseres täglichen Lebens.

Ihre Anwendung finden innovative Leichtbaukonzepte derzeit hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie. Zunehmend werden auch Potentiale aus dem Energiesektor, dem Maschinen- und Anlagenbau sowie der Verpackungsindustrie und dem Bauwesen erschlossen.

Leichtbaukonzepte helfen nicht nur dabei, teure und seltene Rohstoffe bei der Herstellung von Produkten einzusparen, sie verringern zudem auch den Verbrauch von Ressourcen während der Produktlebensdauer. Bei einem leichteren Automobil beispielsweise wurde nicht nur weniger Material für die Herstellung aufgewendet, das verringerte Gewicht führt darüber hinaus zu einem erheblich verringerten Kraftstoffverbrauch über die gesamte Nutzungsdauer des Autos hinweg.

Leichtbaukonzepte haben das Ziel der maximalen Gewichtsreduktion bei gleichbleibender oder verbesserter Leistung und setzen sich im wesentlichen aus drei Ansätzen zusammen. Dem Stoff- & Strukturleichtbau, dem konstruktiven Leichtbau und dem Systemleichtbau.

Der Stoffleichtbau ist die grundlegendste Strategie des Leichtbaus. Sie besitzt das größte Einsparungspotential. Hierbei werden konventionell eingesetzte Materialien durch innovative Werkstoffe mit geringerer Masse oder mit verbesserten, zumeist mechanischen Eigenschaften ersetzt. Diese innovativen Werkstoffe ermöglichen eine Verringerung des Gewichts durch dünnere Wandstärken bei gleicher Leistung. Zu den im Stoffleichtbau eingesetzten Werkstoffen zählen hochfeste Stahllegierungen, Nichteisenmetalle, Kunst- und Verbundwerkstoffen sowie Keramiken.

Zur zusätzlichen Gewichtsreduktion werden einige Materialien in ihrer Struktur verändert. Die Erzeugung von Holstrukturen, wie z.B. Schäumen wird unter dem Begriff Strukturleichtbau zusammengefasst. Die Erzeugung von Schäumen ist nicht nur den Kunststoffen vorbehalten, auch Metalle wie z.B. einige Aluminiumlegierungen können zu Schäumen verarbeitet werden. Trotz ihrer porenartigen – und damit sehr leichten Struktur – halten sie vergleichbar großen Belastungen stand.

Eine weitere Strategie des Leichtbaus stellt der Formleichtbau oder konstruktive Leichtbau dar. Dieser Ansatz beinhaltet die konstruktive Anpassung eines Bauteils und der Materialverteilung im Bauteil an die zu erwartenden Belastungen. So werden die Bereiche hoher Belastung verstärkt, während in den Bereichen geringer Belastung möglichst geringe und damit gewichtsoptimierte Strukturen angestrebt werden.

Um diese Art des Leichtbaus realisieren zu können, sind jedoch genaue Analysen einzelner Elemente und des gesamten Bauteils von großer Bedeutung. Werden zu große Sicherheiten eingeplant bzw. sind nur ungenügende Informationen über das Materialverhalten oder die zu erwartende Beanspruchung bekannt, so besteht die Gefahr, das Bauteil überdimensioniert auszulegen und das Leichtbaupotenzial nicht auszuschöpfen. Neben modernen Simulationsverfahren, die das Verhalten eines Bauteils unter Belastung berechnen, kommt insbesondere der speziellen Simulation von Werkstoffeigenschaften anhand ihres stofflichen Aufbaus eine zentrale Rolle zu. Die gewonnenen Informationen fließen dann in die Simulationsberechnungen für größere Komponenten und Bauteile ein.

Während die beiden vorher angesprochenen Prinzipien des Leichtbaus vor allem einzelne Elemente oder Baugruppen betrachten, wird bei dem Ansatz des Systemleichtbaus das gesamte System betrachtet. Durch die Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil lässt sich das Gesamtgewicht eines Systems verringern, obgleich sich das Gewicht einzelner Elemente oder Baugruppen durch die Funktionsintegration leicht erhöht.

Unter anderem im Automobilbau wird beispielsweise die Funktion der akustischen Dämmung mit der der strukturellen Festigkeit kombiniert. Durch die Integration von schallabsorbierenden, wenige Millimeter dicken Kunststofffolien in Strukturbauteilen kann über das gesamte System Gewicht eingespart werden. Diese zumeist als Sandwichstruktur aufgebauten Bauteile machen separate, schwere Isolationsschichten - wie man sie bisher in jedem Auto findet - nahezu überflüssig.

Wie schon erwähnt kommen Leichtbaukonzepte vor allem in der Luft- und Raumfahrt und in der Automobilindustrie zur Anwendung. Verbundwerkstoffe auf der Basis von Kohle- oder Glasfaserverbünden werden seit vielen Jahren in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Bereits jetzt bestehen die Seitenleitwerke von Airbus-Flugzeugen fast vollständig aus Glasfaserverbundwerkstoffen. Die Substitution von bereits sehr leichten Aluminiumlegierungen durch Kohlefaserverbundwerkstoffe in Flugzeugrümpfen ist derzeit das dominierende Leichtbauthema in der Luftfahrt. Mit dem Dreamliner von Boeing wurde diese Entwicklung bereits in die Serie geführt. Airbus wird sich mit dem A350 diesem Trend anschließen. Für den zivilen Großflugzeugbau handelt es sich hierbei um einen Quantensprung, denn die Substitution erfordert nicht nur ganz neue Fertigungsverfahren und den Zugang ganz anderen Technologien, er verlangt auch eine ganz Menge an Erfahrung im Umgang mit dem neuen Werkstoff, der nicht nur gänzlich andere mechanische Eigenschaften aufweist, sondern auch neue Konzepte für die Integration in das System „Flugzeug“ erfordert.

Insbesondere vor dem Hintergrund, dass Sicherheits- und Komfortansprüche heutige Automobile immer schwerer werden lassen, haben Leichtbaukonzepte einen wesentlichen Beitrag zur Verlangsamung und Umkehrung dieses Trends geleistet. Um die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen CO2–Grenzwerte einhalten zu können, finden immer mehr Kunststoffe Einzug den Automobilbau. Kunststoffe sind leicht und können in fast jede geometrische Form gebracht werden. Vor allem in Kraftstoffanlagen sowie den nicht sicherheitsrelevanten Präferierbauteilen finden sie ihre Anwendung.

Mehrphasenstähle – wie z.B. TRIP-Stähle - Tailored Blank-Lösungen und hochfeste Aluminiumlegierungen verringern ebenfalls das Gewicht von Karosseriebauteilen, die darüber hinaus durch modernste Simulationsverfahren so konstruiert werden, dass sie möglichst viele Funktionen übernehmen und die bei einer Deformation auftretende Energie optimal absorbieren. In vielen Fällen werden zu diesem Zweck bereits Hybridsysteme eingesetzt, bei denen verschiedene Werkstoffe formschlüssig miteinander kombiniert werden.

Die Einführung von Faserverbundwerkstoffen in die Serienfertigung der Fahrzeugindustrie sieht sich derzeit noch größeren Herausforderungen ausgesetzt. Anders als in der Luft & Raumfahrt geht es in der Automobilindustrie um sehr große Stückzahlen bei sehr kurzen Fertigungszeiten. Insbesondere kostengünstige Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren, die die zahlreichen manuellen Fertigungsschritte bei der Herstellung eines Faserverbundes in gleichbleibender Präzision automatisieren, stellen eine Innovationsbarriere dar.

Im Allgemeinen ist ein sehr hoher Grad des Leichtbaus – insbesondere mit Verbundwerkstoffen – nur mit erhöhten Produktions- und Materialkosten zu realisieren. Die hohen Kosten der Herstellung können derzeit nur durch enorm verringerte Betriebskosten aufgewogen werden. Dass Verbundwerkstoffweisen für die Autoindustrie trotzdem interessant sind, zeigen erste Anwendungen in hochpreisigen Fahrzeugsegmenten.

Der effiziente Umgang mit Ressourcen und die nachhaltige Senkung der CO2-Emissionen zählt zu den globalen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Leichtbau leistet dabei durch Gewichtsreduktion einen zentralen Beitrag. Nordrhein-Westfalen hat aufgrund seiner Werkstoffkompetenz eine ausgezeichnete Chance, sich europaweit als Impulsgeber zu positionieren. Dafür spricht nicht nur ein dichtes interdisziplinäres Netzwerk von besonders ausgewiesenen Hochschulen und Forschungsinstituten, sondern auch die zahlreichen in Nordrhein-Westfalen ansässigen Akteure aus der Wirtschaft.

Die hohe Bedeutung von effizientem Leichtbau steht in engem Kontext zu den Elektromobilitätsaktivitäten in NRW. Durch die gezielte Kombination von Gewichtseinsparung und innovativer Stromspeichertechnik mit Hilfe von Nanotechnologie kann die Entwicklung von Elektrofahrzeugen in NRW weiterhin vorangetrieben werden.