Carbonfaser-Leichtbau gestaltet die Zukunft der Automobilindustrie neu

Zusammenfassung

In der gegenwärtigen globalen Landschaft steht die Automobilindustrie aufgrund der sich verschärfenden Energiekrise und wachsender Umweltbedenken vor großen Herausforderungen, die einen dringenden Bedarf an technologischen Innovationen nach sich ziehen. In diesem Zusammenhang haben sich Fahrzeuge mit neuer Energie (NEVs), insbesondere Elektrofahrzeuge (EVs), als wichtiger Weg zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung erwiesen. Das Erreichen einer höheren Energieeffizienz bleibt jedoch eine zentrale Herausforderung, was die Bedeutung der kontinuierlichen Forschung nach fortschrittlichen Lösungen unterstreicht.

Die Marktdynamik unterstreicht diese Dringlichkeit. So wuchs der US-Markt für Elektrofahrzeuge zwar, wies aber im Jahr 2025 aufgrund politischer Veränderungen eine hohe Volatilität auf. Auf einen sprunghaften Anstieg vor dem Auslaufen der Subventionen folgte ein starker Rückgang, der die Anfälligkeit der Branche für externe Anreize und den laufenden Übergang von politikgesteuertem zu marktgesteuertem Wachstum verdeutlicht. Dieses Umfeld verstärkt den Druck, Kerntechnologien zu entwickeln, die unabhängig von Subventionen die Leistung und Kosteneffizienz verbessern.

Leichtbau ist daher zu einer zentralen Strategie geworden, um die Effizienz, Reichweite und Nachhaltigkeit von Fahrzeugen der nächsten Generation zu erhöhen. Unter den fortschrittlichen Werkstoffen zeichnen sich Kohlefaserverbundwerkstoffe durch ihre außergewöhnliche spezifische Festigkeit und Steifigkeit aus und bieten ein transformatives Potenzial für die Automobilkonstruktion. In diesem Beitrag wird die Rolle von Kohlefaserverbundwerkstoffen beim Leichtbau von Fahrzeugen systematisch untersucht. Er untersucht ihre Anwendungen in kritischen Bereichen wie Karosseriestrukturen und Batteriesystemen, analysiert ihre Hauptvorteile in Bezug auf Gewichtsreduzierung, Sicherheit und Designflexibilität und geht auf die anhaltenden Herausforderungen in Bezug auf Kosten, Skalierbarkeit der Herstellung und Recycling ein. Abschließend werden zukünftige Trends skizziert, die auf eine breitere Kommerzialisierung durch Materialinnovation, Prozessoptimierung und Kreislaufwirtschaftsmodelle abzielen.

Abb. 1 Kohlenstofffaser-Gewebe

1 Einführung in Kohlenstofffasermaterialien

1.1 Einführung in die Materialeigenschaften

Kohlenstofffasern sind Hochleistungswerkstoffe, die überwiegend aus Kohlenstoffatomen bestehen und für ihre außergewöhnliche Kombination von Eigenschaften bekannt sind, darunter hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, hervorragende Ermüdungsfestigkeit und geringe Wärmeausdehnung. Diese Eigenschaften sind auf ihre Mikrostruktur zurückzuführen: die Ausrichtung der graphitischen Basalebenen parallel zur Faserachse, die durch die kontrollierte Pyrolyse der Vorläuferpolymere entsteht. Diese anisotrope Struktur verleiht der Faser eine überragende mechanische Leistung entlang ihrer Achse, während sie gleichzeitig eine sehr geringe Dichte beibehält, was zu spezifischen Festigkeits- und Modulwerten führt, die zu den höchsten aller technischen Werkstoffe gehören. Folglich ist die Kohlenstofffaser die wichtigste Verstärkungsphase in modernen Verbundwerkstoffen.

Die industrielle Produktion basiert in erster Linie auf drei Vorläufersystemen: Polyacrylnitril (PAN), Erdöl oder Kohlenteerpech und Rayon (Viskose). Kohlenstofffasern auf PAN-Basis dominieren den Markt und bieten das beste Gleichgewicht zwischen mechanischen Eigenschaften und Verarbeitbarkeit für strukturelle Anwendungen. Fasern auf Pechbasis können für einen ultrahohen Modul oder eine hohe Wärmeleitfähigkeit maßgeschneidert werden, während Fasern auf Rayonbasis eine Nische darstellen. Leistung und Kosten variieren erheblich zwischen diesen Kategorien und ihren Unterkategorien, was eine genaue Klassifizierung erforderlich macht. Der Begriff "Kohlenstofffaser" umfasst daher eine breite Palette von Materialien.

Die Nomenklatur hat sich aus historischen Systemen entwickelt, die die Art des Ausgangsmaterials, die Wärmebehandlungstemperatur (z. B. LHT für niedrig, HHT für hoch) und die mechanische Qualität (z. B. HT für hohe Festigkeit, HM für hohen Modul, UHM für ultrahohen Modul) kombinierten. Solche Klassifizierungen bieten zwar einen allgemeinen Rahmen, können aber das gesamte Spektrum der modernen Fasereigenschaften nur bedingt erfassen. Heutzutage werden von den Herstellern und internationalen Normen detaillierte Spezifikationen festgelegt, die Parameter wie Zugfestigkeit und Modul, Filamentanzahl, Werggröße, Oberflächenbehandlung und Schlichtechemie spezifizieren, die für die Entwicklung und Verarbeitung von Verbundwerkstoffen entscheidend sind.

Abb. 2 Mikrostruktur von Kohlenstofffaserwerkstoffen

1.2 Überblick über den Herstellungsprozess

Der Weg zur Industrialisierung der modernen Kohlenstofffaserproduktion ist der Prozess der Precursor-Faserkarbonisierung. Die Zusammensetzung und der Kohlenstoffgehalt der drei verwendeten Rohfasertypen sind in der Tabelle dargestellt.

Tabelle 1 Primäre Ausgangsstoffe (Protofibrillen) für die Kohlenstofffaserherstellung und ihre Eigenschaften

Die Umwandlung von polymeren Ausgangsstoffen (z. B. PAN, Pech) in Kohlenstofffasern umfasst eine Reihe kritischer thermochemischer Behandlungen. Die wichtigsten Schritte sind die Stabilisierung (oder Oxidation, in der Regel bei 200-300 °C an der Luft, um die Vorstufe unschmelzbar zu machen), die Karbonisierung (bei ca. 1000-1500 °C in einer inerten Atmosphäre, um kohlenstofffremde Elemente auszutreiben) und gegebenenfalls die Graphitierung (bei Temperaturen über 2500 °C, um die kristalline Ausrichtung und den Modul zu verbessern). Eine anschließende Oberflächenbehandlung (z. B. elektrochemische Oxidation) und Schlichten (Auftragen einer schützenden Polymerbeschichtung) sind unerlässlich, um die Haftung der Fasern am Matrixharz in Verbundwerkstoffen zu optimieren. Eine alternative, weniger verbreitete Produktionsmethode ist die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD), bei der diskontinuierliche Filamente katalytisch aus Kohlenwasserstoffgasen wachsen und Fasern mit unterschiedlichen Strukturen und Eigenschaften entstehen.

Für Anwendungen im Automobilbau stützt sich die Umwandlung von Kohlenstofffasern in Strukturbauteile auf mehrere ausgereifte Herstellungsverfahren, die jeweils für unterschiedliche Teilegeometrien, Volumina und Leistungsanforderungen geeignet sind.

2 Anwendungen von Kohlenstofffasern in der Automobilindustrie

Die Anwendung von Kohlenstofffasern in der Automobilindustrie weitet sich von High-End- zu Mainstream-Segmenten aus, wobei ihr Kernwert in der Verbesserung von Leistung und Energieeffizienz durch extreme Gewichtsreduzierung liegt. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Anwendungen und Beispiele in verschiedenen Fahrzeugsegmenten zusammen:

Tabelle 2: Wichtige Anwendungen und Beispiele für Carbonfasern in verschiedenen Fahrzeugsegmenten

2.1 Leistungsstarke und luxuriöse Fahrzeuge

Im Hochleistungs-Automobilbau ist der Einsatz von Kohlefasern für die Konstruktion von Monocoque-Karosserien und Fahrgestellrahmen von zentraler Bedeutung, wobei die Maximierung der Steifigkeit bei gleichzeitiger Minimierung der Masse im Vordergrund steht. Ein führendes Beispiel ist der Lamborghini LB744 Hybrid-Hybrid-Hybridwagen, der mit einem neuartigen Kohlefaser-Monocoque ausgestattet ist. Im vorderen Bereich kommt Forged Composites®" zum Einsatz, eine proprietäre Kurzfaser-Pressformtechnologie. Dieser Ansatz reduziert das Gewicht der Frontstruktur um 20 % im Vergleich zu einer Aluminiumkonstruktion und erhöht gleichzeitig die Gesamttorsionssteifigkeit um 25 %, wodurch die strukturelle Integrität gewährleistet wird, die zur Bewältigung von Leistungen von über 1.000 PS erforderlich ist. In ähnlicher Weise verwendet McLarens Flaggschiff, der Supersportwagen W1, ein "Aerocell"-Monocoque-Cockpit, eine aus der Formel 1 abgeleitete Technologie. Es besteht aus handverlegten, ultraleichten Prepregs und einer integrierten Festsitzkonstruktion, was zum leichtesten und steifsten Monocoque in der Geschichte der Marke führt.

2.2 Die allmähliche Durchdringung des Mainstream-Personenfahrzeugs

Im Mainstream-Automobilsektor konzentriert sich der Einsatz von Carbonfasern strategisch auf die gezielte Verstärkung von Schlüsselkomponenten zur Optimierung von Kosteneffizienz und Leistung. Einen frühen Maßstab setzte der BMW i3 mit einer Fahrgastzelle aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), die als LifeDrive-Architektur mit Carbon Core bekannt ist und erhebliche Gewichtseinsparungen ermöglicht. Aktuelle Implementierungen sind selektiver. So verwendet der Audi e-tron einen hinteren Dachquerträger aus CFK, um den Schwerpunkt des Fahrzeugs zu senken. Auch der NIO ET7 verwendet CFK in seinen Dachverstärkungsträgern, um die Torsionssteifigkeit zu erhöhen und gleichzeitig das Gewicht dieser Teile im Vergleich zu herkömmlichen Materialien um etwa 30 % zu reduzieren. Eine weitere wichtige Anwendung ist die Herstellung von Rädern. Räder aus Kohlefaser können 30-40 % leichter sein als ihre Pendants aus geschmiedetem Aluminium, wodurch die ungefederten Massen erheblich reduziert werden, was zu einem verbesserten Handling, Fahrverhalten und Beschleunigung führt. Darüber hinaus werden Kohlefaserverbundwerkstoffe zunehmend für Batteriegehäuse in Elektrofahrzeugen in Betracht gezogen. Die hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit von CFK kann zu einer erheblichen Reduzierung der Gesamtmasse des Batteriesystems beitragen, was für die Verlängerung der Fahrzeugreichweite entscheidend ist.

Abb. 3 BMW I3 mit Kohlefaserkomponenten

2.3 Die Benchmark-Anwendung für Rennwagen und Supersportwagen

Der Motorsport ist sowohl das Testfeld als auch der Hauptantrieb für die Weiterentwicklung von Kohlefaserverbundwerkstoffen im Automobilbau. Die Krönung dieser Anwendung ist das Kohlefaser-Monocoque, eine einzigartige Struktur, die das Fahrgestell, das Cockpit und kritische Sicherheitszellen integriert und unübertroffene Steifigkeit, Aufprallschutz und Gewichtseinsparungen bietet. Die Übertragung dieser Technologie auf die Produktion von Supersportwagen begann 1992 mit dem McLaren F1, dem ersten Straßenfahrzeug mit einer Kohlefaser-Monocoque-Wanne. Seine arbeitsintensive Herstellung erforderte über 6.000 Stunden, was die anfängliche Exklusivität des Materials unterstreicht. Heute findet sich dieser Stammbaum aus dem Rennsport direkt in modernen Hypercars wieder. Die Monocoques von Fahrzeugen wie dem McLaren W1 (mit "Aerocell") und zeitgenössischen Lamborghini-Modellen sind direkte Nachfahren dieser Renntechnologie und nutzen fortschrittliche Derivate derselben grundlegenden Herstellungsprinzipien, um außergewöhnliche Leistungen zu erzielen.

2.4 Aufstrebende Bereiche bei Fahrzeugen mit neuer Energie

Der Zwang zur Effizienz bei neuen Energiefahrzeugen (NEVs) vergrößert den Wertbeitrag von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen. Während die Leichtbauweise von Fahrzeugstrukturen indirekt die Reichweite erhöht - eine 10-prozentige Verringerung des Leergewichts kann die Reichweite von Elektrofahrzeugen um ca. 6-8 % erhöhen - bietet die direkte Integration in den elektrischen Antriebsstrang weitere Vorteile. So hat die GAC Group beispielsweise Elektromotorrotoren entwickelt, die mit Kohlenstofffasern verstärkt sind, so dass sie bei Drehzahlen von über 30.000 U/min sicher betrieben werden können. Diese Innovation erhöht die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad und trägt direkt zu einer geschätzten Reichweitenverlängerung von 30-50 km in ihren Modellen bei.

Für Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEVs) ist Kohlefaser ein Material, das keinen Ersatz für Hochdruckspeicher des Typs IV darstellt. Die in diesen Behältern gewickelten Kohlenstofffasern ermöglichen die sichere Speicherung von Wasserstoff bei 70 MPa, wodurch eine gravimetrische Speicherdichte von etwa 7 % erreicht wird. Dieses hohe Druck-Gewichts-Verhältnis ist von grundlegender Bedeutung, um wettbewerbsfähige Reichweiten für FCEVs zu erzielen. Hersteller auf der ganzen Welt nutzen fortschrittliche Verfahren wie das Trockenwickeln, um diese kritischen Tanks mit verbesserter Effizienz und Konsistenz herzustellen.

Abb. 4 Kohlenstofffaser-Wasserstoff-Zylinder

3 Kernstärken und Werte

3.1 Vorteile der Gewichtsreduzierung

Die Vorteile des automobilen Leichtbaus sind in mehreren Leistungsbereichen messbar. Am unmittelbarsten wird durch die Verringerung der Masse die für den Antrieb erforderliche Energie gesenkt. Studien zeigen, dass bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen eine 10-prozentige Gewichtsreduzierung die Reichweite um ca. 6-8 % erhöhen kann - ein entscheidender Faktor für die Akzeptanz beim Verbraucher. Bei kommerziellen Anwendungen führt dies zu einem direkten wirtschaftlichen Nutzen. So kann beispielsweise die durch leichte Materialien oder Designintegration eingesparte Masse für eine höhere Nutzlast innerhalb der zulässigen Gesamtgewichtsgrenzen verwendet werden, wodurch sich die Einnahmen pro Fahrt erhöhen.

Darüber hinaus verbessert eine geringere Masse die dynamische Leistung erheblich. Eine geringere Massenträgheit ermöglicht eine schnellere Beschleunigung, ein reaktionsschnelleres Fahrverhalten und kürzere Bremswege. Eine Systemtechnik, die Leichtbaustrukturen mit optimierten Antriebssträngen kombiniert, kann zu erheblichen Effizienz- und Leistungssteigerungen führen. Für Elektrofahrzeuge bieten Kohlefaserverbundwerkstoffe durch ihre multifunktionale Integration ein besonders transformatives Potenzial. Bahnbrechende Forschungsarbeiten, wie die der Chalmers University of Technology zu strukturellen Batterieverbundwerkstoffen, untersuchen die Einbettung von Energiespeichern in tragende Kohlefaserkomponenten. Dieser Ansatz könnte die Systemmasse über die konventionelle Leichtbauweise hinaus reduzieren, wobei Studien darauf hindeuten, dass die Reichweite um bis zu 70 % erhöht werden kann, indem die Masse des separaten Batteriepakets effektiv eliminiert wird.

3.2 Sicherheit und Langlebigkeit

Neben der Gewichtsreduzierung bieten Kohlefaserverbundwerkstoffe aufgrund ihrer anpassbaren Crash-Performance entscheidende Vorteile im Bereich der passiven Sicherheit. Im Gegensatz zu isotropen Metallen können Ingenieure bei Verbundwerkstoffen die Energieabsorption programmieren, indem sie bestimmte Faserausrichtungen und Laminatfolgen festlegen. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung der Verformungsmodi, um das Energiemanagement bei einem Aufprall zu maximieren und gleichzeitig die Integrität der Fahrgastzelle zu erhalten. Ein überzeugendes Beispiel ist die Forschung des Oak Ridge National Laboratory an einer neuartigen Kohlenstofffaser-Gitterstruktur. Im Vergleich zu einem Standard-Dreiecksgitter zeigte das optimierte Design eine um 68 % erhöhte Energieabsorption und eine um 70 % verringerte Spitzenstauchkraft, was den Insassenschutz erheblich verbesserte. Bemerkenswerterweise zeigte die Struktur eine ausgezeichnete elastische Erholung mit minimaler bleibender Verformung, was das Potenzial für wiederverwendbare oder reparierbare Komponenten unterstreicht.

Was die langfristige Haltbarkeit betrifft, so weisen Kohlefaserverbundwerkstoffe eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit und eine inhärente Korrosionsbeständigkeit auf. Sie leiden nicht unter elektrochemischer Korrosion, was eine stabile Leistung in korrosiven Umgebungen wie Streusalz oder hoher Luftfeuchtigkeit gewährleistet. Darüber hinaus übertrifft ihre Ermüdungsfestigkeit die von Aluminium und hochfestem Stahl, was bedeutet, dass sie den zyklischen Belastungen des täglichen Fahrbetriebs über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs besser standhalten. Diese Kombination erhöht die strukturelle Langlebigkeit und kann die mit Ermüdungsschäden oder Korrosionsreparaturen verbundenen Wartungskosten über die gesamte Lebensdauer reduzieren.

Abb. 5 Fahrzeug mit Kohlefaserfahrwerk

3.3 Konstruktionsfreiheit

Kohlefaserverbundwerkstoffe erweitern die Designfreiheit grundlegend, indem sie die Beschränkungen der traditionellen Metallumformung überwinden. Fertigungsverfahren wie das Resin Transfer Molding (RTM) ermöglichen die Herstellung komplexer, konsolidierter Teile - wie z. B. integrierte Türringe oder Heckrahmen - als Einzelteile, die Baugruppen aus Dutzenden von gestanzten und geschweißten Metallkomponenten ersetzen. Dies reduziert die Anzahl der Teile, vereinfacht die Montage und verbessert die strukturelle Kontinuität. Entscheidend ist, dass es eine funktionale Abstufung innerhalb eines einzigen Teils ermöglicht. So kann zum Beispiel eine B-Säule aus Kohlefaser mit maßgeschneiderten Schichten konstruiert werden: Ihr oberer Teil ist für hochfeste Intrusionsfestigkeit optimiert, während ihr unterer Teil für kontrollierte Energieabsorption ausgelegt ist, um eine optimale Mischung aus Steifigkeit und Aufprallleistung in einem Bauteil zu erreichen.

Diese geometrische Freiheit wirkt sich auch auf die aerodynamische Effizienz aus. Die Konstrukteure sind nicht mehr an die Entformungswinkel und Trennlinien gebunden, die für das Stanzen von Metall oder das Spritzgießen von Kunststoff erforderlich sind, und können so wirklich optimale, fließende Formen erzielen. So können beispielsweise Spiegelgehäuse mit maßgeschneiderten, aerodynamischen Formen unter Verwendung von additiver Fertigung und Verbundwerkstoffen hergestellt werden, wodurch Gewicht und Luftwiderstand erheblich reduziert werden. Für die Zukunft werden die Prinzipien der adaptiven Aerodynamik erforscht. Inspiriert von Luft- und Raumfahrtkonzepten wie dem Morphing Wing der NASA, bei dem leichte Gitterstrukturen zur Formveränderung eingesetzt werden, könnten zukünftige Hochleistungsfahrzeuge intelligente Kohlefaserkomponenten enthalten, die sich dynamisch anpassen, um den Abtrieb zu optimieren und den Luftwiderstand in Echtzeit zu verringern.

Tabelle 3 Unterschiede in der Designflexibilität zwischen dem neuen und dem traditionellen Verfahren

4 Herausforderungen und Engpässe

4.1 Kostenaspekte

Das Haupthindernis für die breite Einführung von Kohlefaserverbundwerkstoffen sind ihre hohen Kosten, die auf den energieintensiven Herstellungsprozess zurückzuführen sind. Ein erheblicher Teil der Masse des Ausgangsmaterials geht während der Pyrolyse verloren; bei herkömmlichen Fasern auf der Basis von Polyacrylnitril (PAN) beträgt die Ausbeute in der Regel nur 45-50 %. Darüber hinaus erfordern die Karbonisierungs- und Graphitierungsschritte einen erheblichen Energieaufwand, so dass die Produktionskosten - einschließlich Rohstoffen, Energie und Kapitalabschreibung - den größten Kostenfaktor darstellen. Infolgedessen liegt der Preis für handelsübliche PAN-basierte Kohlenstofffasern nach wie vor zwischen 20 und 30 US-Dollar pro Kilogramm. Zwei strategische Wege werden verfolgt, um die Kosten zu senken: Skaleneffekte, bei denen groß angelegte Produktionslinien die spezifischen Kosten senken können, und alternative Ausgangsstoffe wie kostengünstiger Steinkohlenteer oder Erdölpech, die bei bestimmten Faserqualitäten eine erhebliche Kostensenkung versprechen.

Das Recycling stellt eine besondere Herausforderung sowohl für die Wirtschaftlichkeit als auch für die Nachhaltigkeit von Kohlenstofffasern dar. Zwar gibt es technische Möglichkeiten - vor allem die Pyrolyse (thermische Zersetzung des Harzes) und neue Solvolyse-Methoden (chemische Auflösung) -, doch sind diese mit Hindernissen verbunden. Obwohl die Solvolyse Fasern mit hoher Zugfestigkeit zurückgewinnen kann, ist es nach wie vor schwierig, den ursprünglichen Fasermodul beizubehalten und ein konsistentes, qualitativ hochwertiges Recyclingmaterial zu geringen Kosten zu erhalten. Gegenwärtig werden die meisten Altkohlenstofffaserabfälle dem Downcycling zugeführt oder auf einer Deponie entsorgt, da ein kosteneffizientes, geschlossenes Kreislaufsystem, das in der Lage ist, Fasern für hochwertige strukturelle Anwendungen zurückzugewinnen, noch nicht vollständig etabliert ist.

Abb. 6 Recycling von Kohlenstofffasern durch Pyrolyse

4.2 Produktionstechnologie und Lieferkette

Ein Haupthindernis für den großvolumigen Einsatz von Kohlenstofffasern in herkömmlichen Automobilen ist der Produktionsdurchsatz der Fasern selbst. Der geschwindigkeitsbeschränkende Schritt ist häufig der Karbonisierungsprozess, bei dem die genaue Temperaturkontrolle und die Sicherheitsanforderungen in der Vergangenheit die Liniengeschwindigkeit begrenzt haben. Fortschritte bei der Prozessautomatisierung, der Ofenkonstruktion und der Echtzeitüberwachung verschieben diese Grenzen. Moderne Anlagen zielen beispielsweise darauf ab, den Durchsatz erheblich zu erhöhen, wobei technologische Entwicklungen auf Geschwindigkeiten abzielen, die letztendlich eine größere Skalierbarkeit und niedrigere Kosten pro Kilogramm ermöglichen könnten.

Die Integration von Kohlefaserverbundwerkstoffen erfordert einen grundlegenden Wandel in den Lieferketten und Konstruktionsverfahren der Automobilindustrie. Sie geht über die Substitution von Bauteilen hinaus und erfordert eine gemeinsame Entwicklung von Material, Prozess und Design bereits in den frühesten Phasen. Dies erfordert intensive, kooperative Partnerschaften zwischen OEMs und Materiallieferanten, die oft eine gemeinsame Forschung und Entwicklung beinhalten, um anwendungsspezifische Herausforderungen zu lösen. Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung des Karbonfaser-Heckspoilers für den BYD Yangwang U9, die in enger Zusammenarbeit mit Materialexperten erfolgte. Das gemeinsame Team führte eine umfangreiche Materialauswahl, Struktursimulation und Windkanalvalidierung durch, um die strengen Leistungsziele zu erreichen. Dieses Modell der Co-Engineering-Partnerschaft stellt einen Paradigmenwechsel gegenüber den transaktionalen Lieferantenbeziehungen dar, die in der traditionellen metallbasierten Fertigung üblich sind.

4.3 Verbindung und Wartung

Die Integration von Kohlefaserverbundwerkstoffen mit herkömmlichen Karosseriestrukturen aus Stahl oder Aluminium stellt aufgrund der Materialinkompatibilität eine erhebliche technische Hürde dar. Das Hauptrisiko ist die galvanische Korrosion, die durch den Unterschied im elektrischen Potenzial zwischen der leitfähigen Kohlefaser und dem Metall entsteht, wenn ein Elektrolyt (wie Streusalz oder Feuchtigkeit) vorhanden ist. Außerdem können ungleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Spannungen an der Verbindung führen. Um dies zu vermeiden, werden die Verbindungen als Multimaterial-Hybridsysteme konzipiert. Dabei werden nichtleitende, strukturelle Klebstoffe mit isolierten mechanischen Verbindungselementen (z. B. Nieten, Schrauben mit Hülsen) und Dichtungsmitteln kombiniert, um eine robuste, dauerhafte und korrosionsbeständige Verbindung zu schaffen.

Die Reparatur von Kohlefaserkomponenten ist ein hochspezialisiertes und kostspieliges Verfahren, das sich auf die Lebenszykluskosten auswirkt. Anders als bei der Reparatur von Metalldellen ist bei beschädigten Verbundwerkstoffen in der Regel eine abschnittsweise Reparatur erforderlich, d. h. die sorgfältige Entfernung der beschädigten Lagen und das Einkleben eines neuen, vorgehärteten Flickens mit präziser Faserausrichtung. Dies erfordert kontrollierte Umgebungen, Aushärtung im Autoklaven oder Vakuumbeutel und zertifizierte Techniker. Solche Reparaturen können zwar die strukturelle Integrität wiederherstellen, aber der hohe Arbeitsaufwand, die Spezialausrüstung und die benötigte Zeit machen die Reparaturkosten oft unerschwinglich - oft 60-80 % der Kosten eines neuen Teils. Diese hohe Reparaturschwelle stellt eine Herausforderung für die breite Einführung in kostenempfindlichen Fahrzeugsegmenten mit hohen Stückzahlen dar und wirkt sich auf die Versicherung und die Gesamtbetriebskosten aus.

Abb. 7 Kohlefaserverbundwerkstoff-Strukturen im Automobilbau

5 Zukünftige Entwicklungstrends

5.1 Durchbruch bei der Low-Cost-Technologie

Das Streben nach kostengünstigen Kohlenstofffasern wird an zwei Hauptfronten vorangetrieben: alternative Ausgangsstoffe und Hochdurchsatzfertigung. Neben dem traditionellen PAN bieten Vorprodukte wie Steinkohlenteerpech und Petroleumpech ein Potenzial zur Kostensenkung für bestimmte Leistungsstufen. So werden beispielsweise Technologien zur Umwandlung von kohlebasierten Schwerprodukten in Kohlenstofffilamente allgemeiner Qualität in Demonstrationsanlagen erprobt. Noch wichtiger ist, dass Kohlenstofffasern auf der Basis von Mesophasenpech eine Hochleistungsnische darstellen, da sie eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit (über 1000 W/(m-K)) für spezielle Anwendungen wie das Wärmemanagement bieten, wenn auch zu einem gewissen Preis.

Gleichzeitig werden die Herstellungszyklen drastisch verkürzt. Die Industrie verlässt sich nicht mehr auf die langsame Aushärtung aller Teile im Autoklaven. Verfahren wie das Hochdruck-RTM-Verfahren (High Pressure Resin Transfer Molding) und das automatisierte Formpressen von Sheet Molding Compound (SMC) ermöglichen die Herstellung großer Bauteile wie Batterieabdeckungen oder Karosserieteile in Zykluszeiten von 1-3 Minuten. Diese Verlagerung hin zu einer schnellen, automatisierten Formgebung ist für die Erfüllung der Volumen- und Kostenanforderungen des Mainstream-Automobilsektors unerlässlich.

5.2 Materialinnovation und Multimaterial-Hybridstrukturen

Die Zukunft liegt in intelligenten Hybridkonstruktionen mit metallischen Werkstoffen, um ein optimales Verhältnis von Leistung, Gewicht und Kosten zu erreichen. In der Praxis bestehen diese Hybridstrukturen in der Regel aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung als Hauptrahmen, wobei Kohlefaserverbundwerkstoffe zur Verstärkung an kritischen Belastungspunkten eingebettet oder verklebt werden. Ein Paradebeispiel ist die hintere Bodenplatte aus Kohlefaserverbundwerkstoff im NIO ES6. Mit einem Gewicht von nur 5,3 Kilogramm erreicht dieses Bauteil eine Gewichtsreduzierung von über 30 % im Vergleich zu einer Lösung aus Aluminiumlegierung und wurde erfolgreich in die Massenproduktion aufgenommen. Bei komplexeren Karosseriedesigns, wie dem Modell iCAR V23, kommt bei der Seitenschutzbaugruppe eine innovative PVD-Beschichtung in Kombination mit einer Kohlefaserlaminierung zum Einsatz. Innerhalb einer 0,8 Millimeter dünnen Schicht ist ein starrer Schutz mit einem internen, auf Kohlefaser-Prepreg basierenden Biegewiderstandssystem integriert, was die Fähigkeit der Integration mehrerer Materialien zur Erreichung von Multifunktionalität auf begrenztem Raum demonstriert.

5.3 Kreislaufwirtschaft und nachhaltige Entwicklung

Die zirkuläre Nutzung von Kohlenstofffasern ist der Eckpfeiler einer nachhaltigen industriellen Entwicklung. Aktuelle technologische Durchbrüche konzentrieren sich auf die effiziente Depolymerisation von Harzen und die Substitution von biobasierten Vorläuferfasern. Im Bereich des Recyclings schädigen herkömmliche Pyrolyseverfahren die Fasern, während neue chemische Recyclingverfahren sehr vielversprechend sind. Ein in Nature veröffentlichtes Verfahren zur Depolymerisation mit Essigsäure zersetzt beispielsweise bestimmte Epoxidaminharze innerhalb einer Stunde und gewinnt hochwertige Kohlenstofffasern zu geschätzten Kosten von nur 1,5 Dollar pro Kilogramm zurück. Eine weitere in Nature Synthesis veröffentlichte Studie nutzt die "synergistische Elektrolyse", um die beim Recycling anfallenden minderwertigen Harzoligomere wieder in wiederverwertbare Hochleistungsmaterialien umzuwandeln, und bietet damit einen neuartigen Ansatz für das Recycling von Harzen im geschlossenen Kreislauf. Was die Substitution von Rohstoffen betrifft, so sind 100 % biobasierte Kohlenstofffasern inzwischen Realität. Unternehmen wie die südkoreanische Hyosung Group haben erfolgreich Polyacrylnitril-Vorläuferfasern aus pflanzlichen Rohstoffen hergestellt. Die daraus resultierenden Kohlenstofffasern sind genauso leistungsfähig wie Produkte auf Erdölbasis und reduzieren gleichzeitig die Kohlenstoffbilanz über den gesamten Lebenszyklus um 15 bis 25 %, was ihnen die Anerkennung von Automobilherstellern wie BMW und Audi eingebracht hat.

Tabelle 4: Verschiedene Aufbereitungstechnologien für Kohlenstofffasern

5.4 Intelligente Fertigung

Intelligente Fertigungstechnologien verwandeln die Herstellung von Kohlenstofffaserkomponenten von einem Handwerk, das auf die Erfahrung von Handwerksmeistern angewiesen ist, in einen digitalen technischen Prozess, der präzise Vorhersagen, Kontrolle und Reproduktion ermöglicht. Das Herzstück ist der digitale Zwilling, der virtuelle Modelle von Produktionslinien, Materialien und Prozessen erstellt, um vor der eigentlichen Fertigung vollständige Prozesssimulationen durchzuführen. Dadurch lassen sich die Entwicklungszyklen neuer Produkte erheblich verkürzen und Prozessrisiken vorhersehen. In bestimmten Produktionsschritten ersetzt die Integration der Technologien Automated Fiber Placement (AFP) und Automated Tape Laying (ATL) die manuelle Arbeit durch Roboter. Diese Systeme legen Carbonfaser-Prepregs mit millimetergenauer Präzision auf und gewährleisten so Konsistenz und hohe Qualität bei komplexen gebogenen Bauteilen. Gleichzeitig ersetzen KI-gestützte visuelle Inspektionssysteme zunehmend die manuellen Sichtprüfungen. Diese Systeme überwachen die Produktionsqualität während des Schweißens, Lackierens und der Endmontage in Echtzeit und ermöglichen die Identifizierung und das Abfangen von Fehlern im Millisekundentakt. Dadurch wird die hohe Zuverlässigkeit von Bauteilen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen grundlegend sichergestellt. Zusammen bilden diese Technologien die intelligente Grundlage für die großtechnische und qualitativ hochwertige Herstellung von Kohlenstofffasern.

6 Schlussfolgerung

Kohlefaserverbundwerkstoffe mit ihren außergewöhnlichen Leichtbaueigenschaften haben sich zu einem Schlüsselmaterial für die Elektrifizierung und hohe Leistung von Automobilen entwickelt, das die Reichweite, Sicherheit und Designflexibilität direkt erhöht. Ihre breite Anwendung wird jedoch nach wie vor durch Engpässe wie hohe Kosten, Produktionseffizienz und Recyclingtechnologie behindert. Um einen Durchbruch zu erzielen, muss die gesamte industrielle Kette innovativ zusammenarbeiten und Kostenbarrieren durch neuartige Rohstoffe, intelligente Fertigung und Kreislauftechnologien überwinden, um ein nachhaltiges Ökosystem zu schaffen. Da die Technologie immer ausgereifter wird und die Kosten sinken, entwickelt sich die Kohlefaser immer schneller von einer "Premium-Option" für Spitzenleistungen zu einer Mainstream-Lösung, die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Erschwinglichkeit und Umweltverträglichkeit bietet. Diese Entwicklung katapultiert die Automobilindustrie in eine neue Ära, die durch leichtere, stärkere und umweltfreundlichere Fahrzeuge gekennzeichnet ist.

Die Verwirklichung dieser Zukunft hängt von fortschrittlichen Materialien ab.

Stanford Advanced Materials (SAM) liefert die entscheidenden hochreinen Chemikalien und technischen Werkstoffe, die Innovationen in der Leichtbauweise und Elektrifizierung von Fahrzeugen ermöglichen, von der Forschung und Entwicklung bis zur Produktion.

Informieren Sie sich über Werkstofflösungen oder lassen Sie sich von unseren Experten für Ihr Projekt beraten:

[ Durchsuchen Sie Automobilwerkstoffe ] | [ Kontaktieren Sie einen Experten ]

Referenzen

[1]Oak Ridge National Laboratory. (Jahr). Studie über energieabsorbierende Strukturen von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen. U.S. Department of Energy.

[2]Technische Universität Chalmers. (Jahr). Forschung zu strukturellen Batterien für Elektrofahrzeuge. Chalmers University of Technology, Schweden.

[3]Liu, Z. (2022). Leichtbaukonstruktion des Heckbodens aus Kohlefaser für Elektrofahrzeuge. Journal of Agricultural Equipment and Vehicle Engineering, (5).

[4]Anwendungsforschung zum Leichtbau und zur Optimierung des Bodens aus kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CFK) für Kraftfahrzeuge. (2022). Polymere, 14(21), 4768.

[5]Lamborghini S.p.A. (Jahr). Technischer Überblick über die Technologie der geschmiedeten Verbundwerkstoffe im LB744-Rumpf [Pressemitteilung / Technischer Bericht].

[6]McLaren Automotive. (Jahr). McLaren W1 Aerocell Monocoque: Technology deep dive [Pressemitteilung / Technisches Whitepaper].

[7]NIO (Jahr). Leichtbau des hinteren Bodens des ES6 aus Kohlefaser [Pressemitteilung / Technischer Bericht].

[8]BYD & Hongyi New Materials. (Jahr). Gemeinsamer Entwicklungsbericht über den Kohlefaser-Heckflügel für den Yangwang U9 [Gemeinsame Pressemitteilung / F&E-Zusammenfassung].