Leichtbau-Gipfel 2021 Die Zukunft gehört dem nachhaltigen Leichtbau

Von Hartmut Hammer und Hartmut Hammer

Die OEMs und Zulieferer müssen den CO2-Footprint der Werkstoffe reduzieren und dabei gleichzeitig die Werkstoffeigenschaften erhalten. Wie das gehen kann, zeigten Mercedes-Benz und EDAG auf dem »Automobil Industrie Leichtbau-Gipfel« in Würzburg.

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Thomas Behr.
Thomas Behr.
(Bild: Stefan Bausewein)

Mercedes-Benz will bis zum Jahr 2039 seine Neuwagenflotte CO2-neutral machen. Ein erster Schritt sind intelligente Leichtbaukonzepte („das richtige Material am richtigen Ort“) in Mercedes-Benz-Modellen. „Den Karosserierohbau unserer S-Klasse konnten wir auf diese Weise etwa 30 Kilogramm leichter als beim Vorgänger gestalten“, erläuterte Thomas Behr, Leiter Rohbau-Engineering, Material, Realisierung & Toleranz bei der Mercedes-Benz AG. Ein anderes Beispiel sei die A-Klasse, deren Stahlkarosserie beim Modellwechsel um vier Kilogramm erleichtert werden konnte – trotz höherer Crash- und Komfortanforderungen.

Allerdings entstehen bei der Produktion der A-Klasse auch etwa 5.700 Tonnen CO2, davon etwa 900 Kilogramm allein beim Material und der Erstellung der Fahrgastzelle, knapp 500 Kilogramm für die Türen und knapp 200 Kilogramm für die Klappen und Kotflügel. Um diesen „Rucksack“ zu verkleinern, achtet Mercedes-Benz schon bei der Bauteilkonstruktion und der Verarbeitung der Stahlplatinen auf einen hohen Materialausnutzungsgrad, um möglichst wenig Schrott zu produzieren.

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CO2-arme Stahlherstellung

Nächster großer Stellhebel, den die OEMs und ihre Zulieferer betätigen müssen, ist die Etablierung eines CO2-armen Herstellungsprozesses für Stahl. Denn heute werden pro Jahr bei der Herstellung von 1,7 Gigatonnen Rohstahl etwa 3,7 Gigatonnen CO2 freigesetzt, das sind etwa sechs Prozent des weltweiten CO2-Ausstoßes pro Jahr. Hier werden die OEMs und die Stahlhersteller künftig von der herkömmlichen Hochofenroute (dort werden aktuell etwa 2 bis 2,5 Tonnen CO2 pro Tonne Stahl emittiert) auf die Elektrolichtbogen-Ofenroute (aktuell etwa 1 bis 1,5 Tonnen CO2 pro Tonne Stahl) umschwenken müssen. Durch die Erhöhung des Schrottanteils im Hochofen, den Einsatz von „grünem“ Strom und die Verwendung von Wasserstoff statt Erdgas als Energieträger lässt sich der CO2-Footprint einer Tonne Stahl perspektivisch auf etwa 100 Kilogramm drücken.

„Low Carbon Aluminium“ als Zielsetzung

Um dieses Ziel zu erreichen, ist Mercedes-Benz beispielsweise Partnerschaften und Kooperationen mit dem Start-Up H2 Green Steel, sowie den Stahlherstellern SSAB und Salzgitter eingegangen. So liefert Salzgitter beispielsweise bereits CO2-reduzierte Stahlkomponenten für die Mercedes C- und E-Klasse.

Thomas Behr sieht auch bei der Aluminiumherstellung durch den Einsatz von „Grünstrom“ noch hohes CO2-Einsparpotenzial. Deshalb engagiert man sich in der Aluminium Stewardship Initiative (ASI), die „Low Carbon Aluminium“ als Zielsetzung hat. Auch die Vorgabe von Zielwerten für Material-, Halbzeug- und Komponentenlieferanten gehören zum Instrumentarium, ebenso wie Abnahmegarantien bei Pilotprojekten. Außerdem wird Mercedes-Benz wohl batterieelektrische und verbrennungsmotorisch angetriebene Fahrzeuge gleichermaßen mit CO2-armen Metallwerkstoffen bauen, wenn die entsprechenden Mengen verfügbar sein werden.

Wiederverwendung von CFK-Bauteilen

Auf die Wiederverwertung von anspruchsvollen Kohlefaser-Verbundwerkstoffen legt ein internationales Forschungsprojekt mit 22 Partnern den Fokus. „Bei „FiberEUse“ steht die Wiederverwendung von ganzen Kohlefaser-Bauteilen in einem geschlossenen Materialkreislauf im Mittelpunkt“, erklärte Stefan Caba von EDAG Engineering, einer der Projektpartner. Denn das herkömmliche Recycling von Kohlefaser-Materialien hat den Nachteil, dass durch Schreddern der langen Kohlerfasern die Festigkeit der rezyklierten Bauteile stark vermindert wird.

Als passendes Einsatzgebiet für die Wiederverwendung von ganzen Kohlefaser-Bauteilen sehen die Projektpartner Carsharing-Fahrzeuge, die einen sehr hohen Nutzungsgrad und dementsprechend eine verkürzte Lebensdauer aufweisen. In diesem Umfeld könnte sich das Umgestalten und Auffrischen von Fahrzeugen wirtschaftlich rechnen.

Der Einsatz von bestehenden Kohlefaser-Bauteilen in einem neuen Produktlebenszyklus ist dabei weniger für designrelevante Teile geeignet, sondern vor allem für Strukturbauteile. Projektziele sind eine Lebensdauer der Bauteile von 30 Jahren und eine siebenmalige Wiederverwendung.

Neuartiger Trennprozess

Das Projekt umfasst eine Fahrzeugplattform mit Bodengruppe, Vorder- und Hinterwagen sowie Fahrgastzelle. Deren Bauteile müssen logischerweise mit lösbaren Verbindungen zusammengefügt sein, damit sie wieder demontiert und nach einer Überprüfung und eventuellen Wiederaufbereitung dem nächsten Produktlebenszyklus zugeführt werden können.

Diese Anforderung wird mit speziellen Verbindungsteilen aus CFK erfüllt, die Schraubverbindungen ermöglichen. Eine Alternative sind Klebeverbindungen, für die im Projekt extra ein neuartiger Trennprozess entwickelt wurde. Lösung ist eine CNC-gesteuerte Draht-Bandsäge, die nur den Klebstoff durchtrennt, nicht die Kohlefaserbauteile. Dies bedingt neben entsprechenden Kontaktflächen-Geometrien auch eine ausreichende Dicke der Klebeschicht und einen geeigneten Kleber.

Laut Stefan Caba haben sich die im Projekt erforschten Prozesse bewährt, ebenso das technische Konzept. Berechnungen des CO2-Footprints hätten ergeben, dass die Produktion der Kohlefaserbauteile zunächst etwas CO2-intensiver als herkömmliche Metallkomponenten sei. Aber bereits beim ersten Wiederverwertungsprozess nach einigen Jahren würde der CO2-Footprint des Konzepts deutlich unter dem eines herkömmlichen Fahrzeugs liegen und mit jeder Recycling-Schleife würde dieser Vorsprung größer.

Allerdings dürfte der wirtschaftliche Erfolg von wiederverwendbaren Kohlefaserteilen stark von den Randbedingungen abhängen. Um die Praxistauglichkeit des Konzepts zu verbessern, wird es derzeit in einem Fahrzeug mit 3,5-Tonnen Gesamtgewicht für den Personen- und Warentransport weiterentwickelt.

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