LEICHTBAU

Das Ende der Völlerei

Der Trend zu höheren Gewichten und Leistungen droht in die Sackgasse zu laufen: Mercedes-AMG legt mit dem SL65 Black Series die Latte auf 670 PS; Kleinwagen wie der VW Polo kratzen an der 1-Tonnen-Marke. Nur Radikalinnovationen im Leichtbau können diese Leistungs- und Kostenspirale durchbrechen.

Die Hersteller haben das Thema mittlerweile zur Kenntnis genommen. Mit Programmen wie „Efficient Dynamics“ (BMW), „Blue Efficiency“ (Mercedes) oder „Blue Motion“ (VW) versucht die Industrie, den Kraftstoffverbrauch zu senken und sich ein umweltfreundliches Image zu verleihen. Diesen Programmen ist zu eigen, dass sie beim Antrieb ansetzen und beim Fahrzeuggewicht allenfalls marginale Verbesserungen erzielen. Die Verbrauchsvorteile sind oft gering. Und sie werden, wie beim Start-Stopp-System, mit Komfortnachteilen erkauft.

„Sicherheit kostet erheblich Gewicht“

Die enormen Anstrengungen in der Antriebstechnik haben sich im Verbrauch wenig niedergeschlagen. Im Vergleich zu den Fortschritten bei Komfort und Sicherheit nimmt sich die Verbrauchsbilanz sogar äußerst bescheiden aus – und das hat unmittelbar mit dem Gewicht zu tun.

Die Autohersteller verweisen unisono auf ebendiese Komfort- und Sicherheitsbedürfnisse, um den Gewichtsanstieg zu rechtfertigen. Tatsächlich hat die passive Sicherheit erhebliche Fortschritte gemacht. Die Überlebenschancen bei schweren Unfällen sind in allen Fahrzeugklassen deutlich gestiegen. Passive Sicherheit ist zum beliebten Werbeargument geworden; weniger als vier Sterne im Euro-NCAP-Test gelten kaum noch als akzeptabel. Der Wettlauf um die NCAP-Sterne hat aber auch eine Kehrseite: „Sicherheit kostet erheblich Gewicht“, sagt Ralf Anderseck, Berater bei Automotive Management Consulting in Olching bei München. „Wir haben heute ein Niveau erreicht, auf das wir stolz sein können. Aber das wird sich nicht beliebig fortsetzen lassen.“ Positiv über die Sicherheit differenzieren könne sich kaum noch ein Hersteller; allerdings diene sie zur Marktabschottung gegenüber neuen Marktteilnehmern, fügt Anderseck hinzu.

Auch die vielfältigen Komfortextras fordern ihren Tribut. Früher als entbehrlich eingestufte Ausstattungsdetails wie elektrische Fensterheber, Zentralverriegelung oder Klimaanlage sind mittlerweile Standard. Komfortbedingte Mehrausstattungen sind jedoch neben den gesetzlichen Anforderungen an Sicherheit und Abgas ein erheblicher Gewichtstreiber, sagt Dr. Peter Klose, der bei MBtech consulting das Technologie- und Innovationsmanagement verantwortet. Ein Beispiel: „Bei einer automatischen Klimaregelung werden bis zu acht Elektromotoren für die Klappensteuerung eingesetzt“, so Klose.

Gewichtsträchtige Extras

Denkt die Industrie um? Jüngst vorgestellte Modelle wie der deutlich schwerer gewordene Opel Insignia oder der nur marginal leichter gewordene BMW 7er deuten nicht darauf hin. Der Opel strotzt vor Assistenzsystemen und Komfortextras, die sich an Premium-Modellen orientieren. Bei der Vorstellung des BMW 7er schob das Marketing gewichtsträchtige Extras wie das Nachtsichtsystem oder die komplexe Allradlenkung in den Vordergrund. Selbst Porsche, bei den Heck- und Mittelmotor-Baureihen als Leichtbauspezialist anerkannt, ist es beim Facelift des 911 gerade mal gelungen, das Gewicht beizubehalten. Der Vorteil des leichter gewordenen Motors wird durch Optik- und Komfort-Features wie größere Reifen und Felgen oder die Xenon-Scheinwerfer samt Reinigungsanlage vollständig aufgezehrt.

Selbst dann, wenn sich die Anforderungen an das Auto nicht ändern, gibt es nach Ansicht von Experten noch einiges Potenzial zur Gewichtsreduzierung. „Leichtbau muss strategisch, kulturell und organisatorisch verankert und schließlich konsequent umgesetzt werden“, sagt Ralf Anderseck. Gewicht und Kosten eines Fahrzeugs würden zu 80 Prozent in der Konzeptphase eines Fahrzeugs festgelegt, so Anderseck. Verbesserungen auf der Bauteil/Komponentenebene – dort finden sie heute vorwiegend statt – könnten nur noch marginal helfen.

„Vieles wird separat entwickelt, anstatt das Auto in seiner Gesamtheit zu betrachten“

„Oft ist die Vorgehensweise bei Fahrzeugneukonstruktionen suboptimal, da vieles separat entwickelt wird, anstatt das Auto in seiner Gesamtheit zu betrachten“, sekundiert Peter Klose: „Wenn Motor, Fahrwerk und Karosseriestruktur frühzeitig aufeinander abgestimmt werden, können zum Beispiel eine Reihe von akustischen und thermischen Dämm-Maßnahmen entfallen. Alleine bei Akustikmassen, Dichtmitteln und Dämmstoffen werden heute in einem Fahrzeug der Premiumklasse bis zu 30 Kilogramm verbaut.“ Kloses Einschätzung: „Mit einer intelligenten Konzeption, ohne einen kompletten Neuansatz zu fahren, lassen sich bis zu 80 Kilogramm bei einem solchen Auto einsparen.“

Für punktuelle Verbesserungen gibt es viele Ansätze:

• Optimierte Schmiede-Aluräder können laut Alcoa bis zu 39 Kilogramm pro Auto einsparen.

• Laut Prof. Horst Friedrich vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt könnte ein knapp 24 Kilogramm schweres Fahrwerksteil aus Stahl durch ein bis zu 58 Prozent leichteres Magnesium-Teil ersetzt werden.

• Eine Bodenplatte aus CFK wäre mit 14 Kilogramm deutlich leichter als ein entsprechendes, 36 Kilo schweres Teil aus Stahl – und bis zu einem Volumen von 20 000 Einheiten pro Jahr sogar billiger, so Friedrich weiter.

• Mit expandiertem Polypropylen lassen sich Systemgewichte im Interieur um bis zu 35 Prozent senken.

• Mit CFK-Teilen in der Kinematik von Cabrioverdecken wird Webasto mehrere Kilo einsparen.

Erster Anlauf gescheitert

Vor einem Jahrzehnt war die Branche schon weiter. Damals wurden umfangreiche Versuche mit Vollaluminium-Autos gefahren. Audi ließ durchrechnen, den A6 komplett aus Aluminium zu bauen. Die Studien Ford Prodigy und GM Precept aus dem Jahre 2000 waren erheblich leichter als vergleichbare Serienlimousinen – der relativ seriennahe Ford um 450 Kilo, trotz einer hybridisierten Antriebseinheit. Mit dem VW Lupo 3L TDI und dem Audi A2 gelangten in Europa zwei erheblich gewichtsoptimierte Autos auf den Markt, fielen aber letztlich wegen Marketingschwächen, Design (A2) und hohem Kaufpreis durch.

Damals wie heute waren Hersteller und Kunden nicht bereit, erhebliche Zusatzkosten für Leichtbau zu tragen. Rund fünf Euro pro eingespartem Kilogramm Gewicht gelten bei Premiumherstellern heute als Richtwert. Doch für manche Technologien genügt das nicht.

Exotische Leichtbautechnologien

Vor allem dadurch erklärt sich, dass einige der verfügbaren Leichtbautechnologien bislang relativ exotisch geblieben sind. Das gilt für Aluminium, Kohlefaser, teilweise aber auch für die Mischbauweisen, bei denen – wie beim BMW 5er oder beim Audi TT – Stahl und Leichtbaumaterialien kombiniert werden. Großes Potenzial steckt bei den Hybridbauweisen in den Verbindungstechniken, denn: „Beim thermischen Fügen verlieren viele der heutigen, hochgezüchteten metallischen Werkstoffe eine ganze Reihe ihrer guten, spezifischen Eigenschaften“, so Peter Klose. „Es kommt darauf an, auch neue, ‚kalte‘ Fügetechniken einzusetzen.“

Nach wie vor dominieren Stahlkarosserien den Automobilmarkt; die Entwickler kennen den Werkstoff, er hat sich bewährt. Seine Hauptvorteile – der attraktive Preis und die großen Prozessfenster – schwinden jedoch. Neue hochfeste Stähle ermöglichen zwar Leichtbau, sind jedoch nur noch in sehr engen Prozessfenstern zu verarbeiten. Die Alternativen werden immer attraktiver:

Aluminium

Aluminium ist teuer und in der Verarbeitung energieaufwendig, bringt jedoch erhebliche Verbesserungen beim Fahrzeuggewicht. Vollaluminium-Autos sind bislang auf die Oberklasse beschränkt, Hybridbauweisen gibt es mittlerweile in der oberen Mittelklasse. Audi und Jaguar haben deutliche Fortschritte auf Kosten- und Verarbeitungsseite erzielt. Dennoch wird das Preisniveau einen Durchbruch am Massenmarkt voraussichtlich verhindern. Allerdings sind Geschäftsmodelle vorstellbar, bei denen Aluminium – das nicht verrottet – als Werkstoff nur gemietet wird, weil man es bei der Verschrottung des Autos zurückgeben könnte. Solche Bezahlmodelle würden dem Aluminium einen erheblichen Schub geben.

Magnesium

Der teure Werkstoff wurde in der Vergangenheit lediglich für Felgen und Rennmotoren verwendet, wird momentan jedoch fast ausschließlich für wenige Gussanwendungen eingesetzt. „In Abhängigkeit der Einsatzbereiche können Magnesiumanwendungen aus Blech, Guss und Profilen im Interieur, Exterieur und im Antriebsstrang bis zu 150 Kilogramm an Fahrzeuggewicht einsparen“, sagt Ralf Anderseck. In der Luftfahrt wurden schon 1939 Magnesiumsitze verwendet; im Automobilbau macht sich ein halbes Jahrhundert versäumter Forschung bemerkbar. „Das Potenzial von Magnesium ist heute erst ansatzweise angekratzt“, sagt Ralf Anderseck: „Die mittlerweile vorliegenden Erkenntnisse lassen aber auf große, noch brachliegende Potenziale in greifbarer zeitlicher Nähe schließen.“

Kunststoffe

Für kleinere und mittlere Serien bieten sich Kunststoffe und Komposite als Ersatz für Stahl an. Eine beliebige geometrische Auslegung der Bauteile und geringe Werkzeugkosten sprechen für Kunststoffe. Das Problem der Lackierbarkeit, bei dem der Kunststoff dem Aluminium bislang unterlegen war, hat man inzwischen weitgehend in den Griff bekommen. Teilweise wird mit Kunststoffteilen Stahl substituiert; Formen wie der Kofferraum des BMW 6er lassen sich kaum anders darstellen. Das Vollkunststoff-Fahrzeug ist allerdings weitgehend aus der Wahrnehmung verschwunden. Es könnte mit neuen Rahmen- und Chassiskonzepten eine Renaissance erfahren. Beim Erscheinungsbild der Außenhaut müssen dabei Abstriche gemacht werden, denen ein kunststoffgerechtes Design begegnen kann.

Kohlefaser

Verbundwerkstoffe aus Kohlefaser bieten prinzipiell dieselben Vorteile wie andere Kunststoffe und ermöglichen darüber hinaus extremen Leichtbau. Zu den Nachteilen zählen die hohen Rohstoffkosten und der langwierige Verarbeitungsprozess. An letzterem Problem wird mit Hochdruck gearbeitet. Kohlefaser ist als Außenbauteil nur sehr schwierig zu verarbeiten; bislang ist das nur in der Kleinserie gelungen. Verschiedene Zulieferer arbeiten daran, die CFK-Bauweise großserientauglich zu machen. Wahrscheinlich ist ein Wachstum auf relativ niedrigem Niveau, möglicherweise im Mix mit Magnesium.

Für die Zulieferindustrie bietet das Thema Leichtbau die Chance, innovative Lösungen an den Kunden zu bringen. Beratungsunternehmen und entsprechend kompetente externe Entwicklungsdienstleister können das Thema Gesamtfahrzeugkompetenz, aber auch das Frontloading in Bezug auf die Konstruktion einzelner Bauteile, überzeugend darstellen – weil sie außerhalb eingefahrener Entscheidungswege und Konstruktionsdenke agieren können.

Wichtige Chancen bieten sich in der Produktions- und Prozessplanung, denn zeitgleich mit dem Thema Leichtbau müssen die Hersteller dem sich damit ergänzenden Trend zu Nischenfahrzeugen entgegenkommen. Diese lassen sich anders konstruieren und fertigen als Massenautos; bei geringen und mittleren Stückzahlen verlieren leichte und innovative Werkstoffe ihren Kostennachteil.

„Lieber 1 000 Kilogramm als 1 000 Newtonmeter Drehmoment“

Das ScaLight-Programm, bei dem Karmann mit Salzgitter für kleinere Serien Stahl und Magnesium kombinieren will, ist ebenso ein Beispiel für die Chance, sich als Zulieferer mit den Themen Leichtbau und Nischenfahrzeuge zu profilieren, wie der 700 Kilogramm leichte KTM X-Bow, der von Magna Steyr im Auftrag gebaut wird und an dem der österreichische Aluminium-Konzern SAG Automotive mit erheblichen Umfängen beteiligt ist.

Ist der Durchschnittskunde bereit, den Schritt zum Leichtbau mitzumachen? Die Autoindustrie scheint bislang nicht daran zu glauben. Einst gab der damalige BMW-Entwicklungsvorstand Burkhard Göschel die Devise aus: „Lieber 1 000 Kilogramm als 1 000 Newtonmeter Drehmoment.“ Von dem Gewichtsziel ist BMW heute noch weiter entfernt als von der Drehmomentvorgabe. Ein M6 Cabriolet wiegt über zwei Tonnen; selbst das M3 Coupé mit seinem ostentativen CFK-Dach bringt 1 655 Kilogramm auf die Waage.

„Innovationen“ mit Wohnzimmercharakter

Mercedes-Benz hat ausgerechnet, dass der aus dem vollen gefräste und trotzdem rund 1 100 Kilogramm leichte 190er mit dem modernen 2,2-Liter-CDI der Marke sportwagenähnliche Fahrleistungen erreichen würde – bei einem Verbrauch, der deutlich unter der aktuellen C-Klasse liegt. Ein Markensprecher teilt jedoch vorsorglich mit: „Ein solches Auto würde als Neuwagen kaum mehr verkäuflich sein.“

So scheint der Glaube der OEM an immer neue „Innovationen“ zur Insassenunterhaltung und an Interieurs mit Wohnzimmercharakter ungebrochen. „Der einzige Zielwert für die Entwicklung war: schöner, weicher, edler, eleganter, teurer“, kritisiert Ralf Anderseck. „Es gibt alternative Werkstoffe, die bereitstehen und die ein Gewichtseinsparungspotenzial von bis zu 50 Prozent haben.“ Der Berater prophezeit einen Bewusstseinswandel: „Wenn die Kunden ausbleiben für diese teuren Luxusfahrzeuge, wenn die Kunden auch dort erwarten, dass der Verbrauch halbiert wird, wird man diese Schritte wagen. Und wer es zuerst wagt, wird zu den Gewinnern gehören.“

„Der Kult um Leichtbau-Sportwagen ist ein erstes Anzeichen“

Wenn die Karosserien leichter werden, können auch die Motoren wieder kleiner und leichter werden. Als der Golf I 750 Kilo wog, war er mit dem 1,1-Liter-50-PS-Basismotor ausreichend, wenn nicht sogar spritzig motorisiert. Heute benötigt die Basisvariante 80 PS aus 1,4 Litern Hubraum, um den Golf VI mehr schlecht als recht zu beschleunigen.

Vielleicht hilft auch eine neue Definition von Fahrspaß. Unter Enthusiasten werden Extremsportwagen gerne nach Leistungsgewicht klassifiziert – eine aussagekräftigere Maßzahl als die reine Motorleistung. Auf Leichtbau getrimmte Modelle wie der Lotus Elise gelten als wegweisend sogar für kommende Elektrofahrzeuge. Lotus hat unter anderem das Design für den kalifornischen Elektro-Sportwagen Tesla entwickelt und produziert auch Karosserie und Chassis des elektrischen Roadsters. „Der Kult um Lotus, KTM und andere Leichtbau-Sportwagen ist ein erstes Anzeichen“, hofft ein hochrangiger Entwicklungsmanager aus München-Milbertshofen, und legt nicht ohne Bedauern nach: „Bei uns steht so was auch im Keller.“