Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe
Weniger Gewicht und mehr Sicherheit mit neuen Werkstoffen

Eine höhere Crash-Sicherheit und die Einsparung von Gewicht, um die immer üppigere Fahrzeugausstattung zu kompensieren. Das sind zwei wesentliche Forderungen, mit denen sich die Hersteller von Automobilen derzeit konfrontiert sehen. Die Folge: Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe erobern stetig neue Anwendungen.

DÜSSELDORF. Allgemein bekannt sind die Versuche der letzten Jahre, durch eine einfache Werkstoffsubstitution "passive" Bauteile wie Teile der Außenhaut, Kofferraumdeckel und ähnliches, durch leichtere Faserverbundstrukturen zu ersetzen. Weniger bekannt ist der Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) im so genannten Form-Leichtbau, wo "aktive" Bauelemente des Fahrzeuges auf Basis der günstigeren Eigenschaften des Werkstoffs neu konstruiert werden.

Zunehmende technische wie kommerzielle Relevanz gewinnt der Serieneinsatz von Antriebswellen, genauer Längswellen, aus diesem Material. Man macht sich hier die dem Werkstoff CFK eigene hohe Biegesteifigkeit in Verbindung mit seinem niedrigen Gewicht zunutze. Die Kombination dieser beiden Eigenschaften verbessert die so genannte kritische Drehzahl auf fast das Doppelte und ermöglicht in der Folge den Bau längerer Antriebswellen. Am konkreten Beispiel heißt dies, dass eine 120 Zentimeter lange Antriebswelle in der traditionellen Stahlausführung ein Zwischengelenk benötigt, auf das die CFK-Antriebswelle verzichten kann. Dies würde im genannten Beispiel eine mindestens fünfzigprozentige Gewichtseinsparung von etwa fünf Kilogramm bedeuten. Für den Automobilbau, in dem bei jeder Komponente um Bruchteile von Kilogramm gerungen wird, ist dies ein Quantensprung.

Der Einsatz im Fahrzeug wird aber nicht nur durch die hohe Gewichtseinsparung motiviert, sondern auch durch die sehr guten Crash-Eigenschaften: Die Welle wird so konstruiert, dass sie sich im Ernstfall kontrolliert selbst zerstört, anstatt zu knicken und Fahrzeuginsassen oder den Tank zu gefährden. Bildlich kann man sich diesen Mechanismus wie das Spalten eines Stammes mit der Axt vorstellen. Im Crashfall tauchen die Metallgelenke in das CFK-Rohr ein und sprengen den Verbund in Längsrichtung auf. Dabei wird auf mikroskopischer Ebene die Verbindung zwischen Kunststoff und den eingebetteten Kohlenstofffasern zerstört. Der dafür notwendige Kraftaufwand ist im Vergleich zur traditionellen Bauweise sehr gering.

Die Kohlenstofffaser-Antriebswelle muss sich natürlich bei allen technischen Vorteilen auch kommerziell vermarkten lassen. Positiv wirkt sich hierbei die in Maßen vorhandene Bereitschaft der Hersteller aus, für Leichtbaulösungen etwas höhere Kosten in Kauf zu nehmen. Es ist schwierig, an genaue Zahlen zu kommen. Als Anhaltspunkt kann aber die von Audi publizierte Zahl von fünf Euro Mehrkosten pro eingespartem Kilogramm Gewicht dienen.

Die technischen Beispiele zeigen, dass der Werkstoff sein Potenzial in heck- und allradgetriebenen Fahrzeugen optimal ausspielen kann. Erste Versuche hierzu gab es schon Anfang der 90er-Jahre, zum Beispiel im Audi Quattro. Doch es gelang auf Grund der damals hohen Kosten zunächst nicht, sich mit dem Ansatz durchzusetzen.

Seit 1999 gibt es nun eine erste auch kommerziell erfolgreiche Serienanwendung im Mitsubishi Pajero. Dieser folgten die Fahrzeuge Nissan 350 Z, Mazda RX 8 und aktuell der neue Aston Martin DB9 Vantage. Die Fahrzeuge werden auf der aktuellen Internationale Automobilausstellung präsentiert. Inzwischen wurden über 400 000 CFK-Längswellen produziert. Damit wird es zunehmend einfacher, den Herstellern die Sorge zu nehmen, dass dieses Stückchen "Plastik" - an neuralgischer Stelle im Fahrzeug positioniert - dauerhaft und zuverlässig seine Arbeit leistet.

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