Revolution im Leichtbau: Auf der IAA 1993 präsentierte Audi als Showcar den „ASF“ (Audi Space Frame) © Audi AG

Leichtbau: Jedes Gramm zählt

19.03.2021

Mit ihren Batterien legen Elektrofahrzeuge deutlich an Gewicht zu. Dank Leichtbau kommt das Auto nicht nur schneller vom Fleck, sondern schafft mehr Reichweite. Für das Abspeckprogramm setzen Ingenieure auf spezielle Werkstoffe und neue Bauweisen.

Mehr als Dinge weglassen: Leichtbau ist eine Konstruktionsphilosophie aus innovativen Werkstoffen und neuartigen Produktionsverfahren. © Daimler AG
Mehr als Dinge weglassen: Leichtbau ist eine Konstruktionsphilosophie aus innovativen Werkstoffen und neuartigen Produktionsverfahren. © Daimler AG

Autos werden heute immer schwerer. Ein Gewichtstreiber sind höhere Sicherheitsanforderungen und die Ausstattung. Und dann ist da noch der ungebrochene Trend zum SUV. Die Leichtbauweise setzt Autos hingegen auf Diät. Gerade bei der Elektromobilität zählt jedes Kilogramm. Das wirkt sich vorteilhaft auf Energieverbrauch und Reichweite aus. Auch die Fahrdynamik profitiert davon in hohem Maße: Je leichter ein Fahrzeug ist, desto geringer fallen Roll­- und Beschleunigungswiderstand aus. Was aber noch viel entscheidender ist: Dank Leichtbau können Hersteller die Größe der Batterien reduzieren, die für 30 bis 50 Prozent der Kosten verantwortlich sind. Seit den 1970er-Jahren arbeiten Hersteller und Zuliefererindustrie an vielversprechenden Alternativen zum Platzhirsch Stahl. Und so bestehen Fahrzeuge heute aus einem Mix aus unterschiedlichsten Materialien: Aluminium, Verbundwerkstoffe, Kunststoffe, Magnesium oder Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen. Viele Kombinationen und Faserverbundwerkstoffe sind für herkömmliche Fügeverfahren wie Nieten oder Schweißen allerdings nicht geeignet. 3M hat einen Hochleistungskleber für Leichtbaumaterialien auf den Markt gebracht. Der Technologiekonzern widmet sich auch Glas – einer der schwersten Werkstoffe im Fahrzeugbau. So wiegt ein durchschnittliches Glasdach rund 18 Kilogramm. Um das Gewicht zu senken, adaptierten die 3M-Ingenieure Fensterfolien mit Wärmeschutzfunktion aus der Gebäudetechnik. Aber erst mit der Leichtbau-Karosserie verliert der Wagen so richtig an Speck.

Carbon – die Leichtigkeit des Seins

Ein berühmter Leichtbau-Vertreter ist Carbon, ein kohlefaserverstärkter Kunststoff – kurz CFK. Der Werkstoff steht beim Rennsport im Zentrum elitärer Materialschlachten. Das hat seine Gründe: CFK ist bis zu fünf Mal leichter als Stahl und hat nur rund 60 Prozent des Gewichtes von Aluminium. Ultraleicht und hart wie Diamant gilt es als Wunderfaser, der sich optimal für Bauteile wie Bremsscheiben und Fahrgastzellen eignet. Aus Carbon gefertigte Bremsscheiben wiegen im Vergleich zur konventionellen Grauguss-Bremsscheibe rund 50 Prozent weniger. Ferdinand Piech war es, der mit dem XL1 erstmals eine Kleinwagenserie produzieren ließ, die dank Karbonkonstruktion und ausgefeilter Motorentechnik lediglich 0.9 Liter auf 100 Kilometer verbraucht. Carbon hat es bis in die Serienfertigung beim Elektroflitzer i3 und dem i8-Sportler von BMW geschafft. Im Vergleich mit einer konventionellen Stahlkarosserie braucht der i3 zum nur ein Drittel der Bauteile. In der neuen iX-Familie des bayerischen Herstellers wird CFK unter anderem für Seiten- und Dachrahmen, Windlauf und Heckfensterrahmen einsetzen. Doch der Superwerkstoff hat einen Makel: Er ist ziemlich kostspielig.

Vom Stahl zur textilen Außenhaut

So kommt es nicht nur auf den Materialeinsatz an, sondern auch auf die Produktionsverfahren. Mit Technologien wie dem Selektive Laser Melting und Sintering, 3D-Druck, der Stereolithografie oder dem Fused Deposition Modelling sind völlig neue Ansätze realistisch, um beispielsweise natürliche Bauprinzipien wie Waben- oder Gitterstrukturen einen großen Schritt näher zu kommen. Die benötigen wesentlich weniger Werkstoffe und sind damit ressourcenschonender sind. Die Fahrzeugstudien „Light Cocoon“ und „Soulmate“ von EDAG beispielsweise bestehen komplett aus einer skelettartigen, bionisch optimierten Fahrzeugstruktur. Überzogen sind die Sportwagen mit einer wetterbeständigen Außenhaut aus einem dreilagigen Polyester-Jersey-Stoff von Outdoor-Spezialist Jack Wolfskin. Neben dem hohen Leichtbaupotenzial lassen sich auch bewegliche Bauteile damit umhüllen, wie der Spoiler. Das Textil macht alle Bewegungen mit. Mit dem Safe Light Regional Vehicle entwickelte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt einen 400 Kilogramm leichten Zweisitzer, dessen Karosserie auf der Sandwichbauweise basiert. Bisher kommt diese Technik noch nicht in der Serienfertigung vor, sie symbolisiert jedoch den Trend zum Downsizing. Im Moment wird an vielen Lösungen gearbeitet, ohne dass man genau sagen kann, wie die Zukunft des Leichtbaus endgültig aussehen wird. Doch das Tüfteln ist wichtig, damit Innovationen in diesem wichtigen Feld nicht nur bloße Gedankenspiele bleiben, sondern der Mobilität der Zukunft einen ordentlichen Schub geben.

(Aufmacherfoto: © Audi AG)

Die IAA MOBILITY wandelt sich von einer reinen Autoshow zur internationalen Mobilitätsplattform mit vier Säulen: Dem Summit, der Conference, der „Blue Lane“ und dem innerstädtischen Open Space. Unter dem Motto „What will move us next“ steht sie für die digitale und klimaneutrale Mobilität der Zukunft. Vom 7. bis 12. September 2021 kommen die Auto-, Fahrrad- und Tech-Industrie auf der IAA MOBILITY in München zusammen.