PlastXnow erklärt Mit Leichtbau-Kunststoffen Energie und Ressourcen sparen

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Leichtbau gilt als Schlüsseltechnologie für mehr Energie- und Ressourceneffizienz. Moderne Kunststoffe, Faserverbundwerkstoffe und Strukturschäume ermöglichen leichtere Bauteile bei hoher Stabilität. PlastXnow erklärt, wie dadurch Energie gespart und nachhaltige Innovationen vorangetrieben werden.

Leichtbau spart Energie, weil leichtere Bauteile und Fahrzeuge weniger Energie benötigen, um bewegt oder beschleunigt zu werden. Zum Beispiel muss ein leichteres Auto weniger Kraft aufbringen, um loszufahren oder bergauf zu fahren. Dadurch verbraucht es weniger Kraftstoff oder Strom und verursacht weniger CO₂-Emissionen. 

Auch in Flugzeugen ist Leichtbau besonders wichtig, weil ein geringeres Gewicht den Energieverbrauch während des Fluges deutlich reduziert. Zusätzlich können leichtere Bauteile oft mit weniger Material hergestellt werden, wodurch auch bei der Herstellung Energie eingespart werden kann.

Leichtbau bedeutet jedoch nicht einfach nur, möglichst viel Material einzusparen. Vielmehr geht es darum, Bauteile so zu konstruieren, dass sie bei geringerem Gewicht dieselbe Stabilität und Funktion erreichen. Möglich wird das mithilfe moderner Werkstoffe, intelligente Konstruktionen und neue Verarbeitungsverfahren.

Kunststoffe als Rückgrat des modernen Leichtbaus

Kunststoffe spielen im modernen Leichtbau eine zentrale Rolle. Sie sind leicht und gleichzeitig stabil. Dadurch können sie schwere Materialien wie Stahl teilweise ersetzen und das Gewicht von Fahrzeugen, Flugzeugen oder Maschinen verringern.

Ein berühmter Leichtbau-Vertreter ist Carbon, ein kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK). Der Faserverbundwerkstoff ist bis zu fünf Mal leichter als Stahl und hat nur rund 60 Prozent des Gewichtes von Aluminium. Er eignet sich beispielsweise Bremsscheiben und Fahrgastzellen. Aus Carbon gefertigte Bremsscheiben wiegen im Vergleich zur konventionellen Grauguss-Bremsscheibe rund 50 Prozent weniger. 

Ferdinand Piëch gilt als Initialzünder für den CFK-Einsatz im Automobil. Er 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. Längst ist der Werkstoff in der Serienfertigung angekommen. In der iX-Familie von BMW wird CFK unter anderem für Seiten- und Dachrahmen, Windlauf und Heckfensterrahmen eingesetzt.

FAQ: Plasti Weiß Bescheid

Was sind Faserverbundwerkstoffe?

Faserverbundwerkstoffe bestehen aus mindestens zwei unterschiedlichen Komponenten: verstärkenden Fasern und einer umgebenden Matrix. Die Fasern sorgen vor allem für hohe Festigkeit und Steifigkeit, während die Matrix die Fasern verbindet und die auftretenden Kräfte verteilt. 

Welche Vorteile bieten Faserverbundwerkstoffe?

Sie zeichnen sich durch ein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Steifigkeit aus. Zudem bieten sie eine gute Korrosionsbeständigkeit und können gezielt an die Anforderungen eines Bauteils angepasst werden.

Wo werden Faserverbundwerkstoffe eingesetzt?

Faserverbundwerkstoffe kommen unter anderem im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt, im Maschinenbau, in der Windenergie sowie im Sport- und Freizeitbereich zum Einsatz. Besonders interessant sind sie überall dort, wo Leichtbau und hohe mechanische Leistungsfähigkeit gefragt sind.

Dabei geht es nicht mehr nur darum, Kraftstoff zu sparen. Gerade in der Elektromobilität verbessert jedes eingesparte Kilogramm die Energieeffizienz. Dadurch steigt die Reichweite oder es können kleinere Batterien mit geringerem Rohstoffbedarf eingesetzt werden. Auch in Nutzfahrzeugen, der Logistik oder im Maschinenbau helfen leichte Bauteile dabei, Energie einzusparen.

In welchen Branchen bringt der Leichtbau die größten Energieeinsparungen?

Die größten Energieeinsparungen durch Leichtbau entstehen vor allem dort, wo Gewicht ständig bewegt oder transportiert werden muss. Deshalb sind insbesondere die Luftfahrt, der Automobil- und Verkehrssektor sowie der Schiffbau besonders interessant. Auch im Maschinenbau und in der Bauindustrie spielt Leichtbau eine wichtige Rolle.

Automotive & E-Mobilität

Vor allem im Automobilbereich ist der Leichtbau eines der zentralen Themen. Ein leichteres Fahrzeug benötigt weniger Energie zum Beschleunigen und hat außerdem Vorteile beim Bremsen und bei der Reichweite. Nach Angaben des Bundeswirtschaftsministeriums können 100 kg weniger Gewicht bei einem Pkw etwa 0,3 bis 0,5 Liter Kraftstoff pro 100 km einsparen. Bei Elektrofahrzeugen können 100 kg Gewichtsreduzierung den Stromverbrauch um etwa 2 bis 4 Prozent senken.

Interessant ist zudem der Einsatz von Naturfaser-Verbundwerkstoffen. Unter anderem untersuchten BMW und Bcomp Bauteile aus Flachsfasern. Bei einem Fahrzeugdach konnte damit gegenüber einer vergleichbaren Kohlefaser-Lösung der CO₂-Fußabdruck der Produktion einschließlich End-of-Life um rund 40 Prozent reduziert werden.

Luft & Raumfahrt

In der Luftfahrt ist das Einsparpotenzial noch eindrucksvoller: Wird ein Airbus A320 um 100 Kilogramm leichter, spart er pro Jahr rund 10.000 Liter Kerosin – das entspricht bis zu 25 Tonnen CO2.

Ein jüngeres Forschungsbeispiel ist der Multi-Functional Fuselage Demonstrator (MFD). Damit gelang es der Fraunhofer-Gesellschaft zusammen mit Partnern der weltweit erstmalige Nachweis, dass die automatisierungsgerechte Thermoplastbauweise bei Flugzeugrümpfen sowohl zu einer Steigerung der Produktionseffizienz für die Hochratenproduktion als auch zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung führt.

In Zahlen heißt das: Die MFD-Struktur konnte gegenüber einer konventionellen Konstruktion rund 10 Prozent Gewicht einsparen. Dadurch werden laut Fraunhofer bis zu 540 kg CO₂ pro Flug vermieden.

PEI im Flugzeugbau

Ruder aus thermoplastischen Sandwichstrukturen

Bahn- und öffentlicher Verkehr

Im Projekt 3D-FiberTrain zeigten die Institute Fraunhofer IWU und Fraunhofer IMWS gemeinsam mit Industriepartnern, wie durch die Kombination von großformatigem 3D-Druck und dem 3D-Tapelegeverfahren die werkzeugfreie Herstellung komplexer und hochbelastbarer thermoplastischer Faserverbundbauteile für Schienenfahrzeuge gelingt. Innerhalb von drei Jahren realisierte das Konsortium zwei großformatige Demonstratoren: eine Frontschürze sowie eine Bugnase eines Hochgeschwindigkeitszuges. 

Das eingesetzte glasfaserverstärkte Polycarbonat wurde gezielt so ausgewählt und modifiziert, dass es die extrem hohen, schienenfahrzeugspezifischen Brandschutzanforderungen erfüllt. Darüber hinaus ermöglichten spezielle Strukturoptimierungsmethoden, die Anzahl der aufgebrachten Verstärkungstapes auf das mechanisch notwendige Minimum zu reduzieren – neben dem Entfall von Formwerkzeugen ein entscheidender Hebel für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. 

Im Detail

Im Projekt 3D-FiberTrain zeigten die Institute Fraunhofer IWU und Fraunhofer IMWS gemeinsam mit Industriepartnern, wie durch die Kombination von großformatigem 3D-Druck und dem 3D-Tapelegeverfahren die werkzeugfreie Herstellung komplexer und hochbelastbarer thermoplastischer Faserverbundbauteile für Schienenfahrzeuge gelingt. Innerhalb von drei Jahren realisierte das Konsortium zwei großformatige Demonstratoren: eine Frontschürze sowie eine Bugnase eines Hochgeschwindigkeitszuges. 

Das eingesetzte glasfaserverstärkte Polycarbonat wurde gezielt so ausgewählt und modifiziert, dass es die extrem hohen, schienenfahrzeugspezifischen Brandschutzanforderungen erfüllt. Darüber hinaus ermöglichten spezielle Strukturoptimierungsmethoden, die Anzahl der aufgebrachten Verstärkungstapes auf das mechanisch notwendige Minimum zu reduzieren – neben dem Entfall von Formwerkzeugen ein entscheidender Hebel für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. 

Schiffbau

Auch im Schiffbau kann geringeres Gewicht den Energiebedarf senken. Besonders interessant ist das bei kleineren und schnelleren Schiffen, bei denen ein großer Teil der Energie für die Fortbewegung benötigt wird. Leichte Verbundwerkstoffe können beispielsweise für Rümpfe, Aufbauten und Innenstrukturen eingesetzt werden.

Allerdings ist der Effekt bei großen, langsam fahrenden Frachtschiffen teilweise geringer als bei Flugzeugen oder schnell fahrenden Fahrzeugen, weil dort andere Faktoren wie der Wasserwiderstand und die Antriebseffizienz eine besonders große Rolle spielen.

Maschinenbau und Itralogistik

Im Maschinenbau führt Leichtbau nicht nur zu Energieeinsparungen während der Nutzung. Wenn beispielsweise ein Roboterarm, eine bewegliche Maschine oder ein Werkzeug leichter wird, müssen die Motoren weniger Masse bewegen. Dadurch können kleinere Antriebe verwendet werden, die weniger Energie benötigen.

Zusätzlich kann durch moderne Fertigungsverfahren wie 3D-Druck Material gezielt dort eingesetzt werden, wo es für die Stabilität benötigt wird. Dadurch entstehen beispielsweise bionische Strukturen, die bei gleicher Funktion deutlich leichter sein können.

Leichtbau spielt zudem in der Intralogistik eine wichtige Rolle, weil viele Fahrzeuge, Maschinen und Fördersysteme innerhalb von Lager- und Produktionshallen ständig in Bewegung sind. Auch hier gilt: Je geringer ihr Gewicht ist, desto weniger Energie wird für Beschleunigung, Transport und Bremsvorgänge benötigt.

Leichter befördern

Kunststoff bringt Bewegung in die Konstruktion

Zukunftsweisende Technologien

Mehrere Technologien treiben den Kunststoff-Leichtbau voran und ermöglichen es, Bauteile leichter, stabiler und energieeffizienter zu gestalten.

Werkstoffe

Eine wichtige Entwicklung sind thermoplastische Verbundwerkstoffe. Sie lassen sich schneller verarbeiten als viele klassische Faserverbundwerkstoffe und können häufig besser recycelt werden. Deshalb gelten sie als vielversprechend für die Serienproduktion, beispielsweise in der Automobil- und Luftfahrtindustrie.

Ein weiterer Trend ist die Nutzung von Naturfaser-Verbundwerkstoffen, beispielsweise mit Flachs-, Hanf- oder Holzfasern. Diese Materialien können das Gewicht reduzieren und gleichzeitig den Einsatz nachwachsender Rohstoffe fördern.

Auch Strukturschäume sind eine wichtige Technologie im Kunststoff-Leichtbau. Sie bestehen aus einem Kunststoff mit einer geschäumten Kernstruktur, die von einer kompakten Außenschicht umgeben ist. Durch die vielen kleinen Gaszellen im Inneren wird weniger Material benötigt, während die Bauteile dennoch eine hohe Steifigkeit behalten.

Verfahren

Auch der 3D-Druck (additive Fertigung) fördert den Kunststoff-Leichtbau. Mit dieser Technologie können Bauteile mit komplexen, bionischen Strukturen hergestellt werden, bei denen Material nur dort eingesetzt wird, wo es für die Stabilität benötigt wird. Dadurch lassen sich Gewicht und Materialverbrauch reduzieren.

Zudem spielen moderne Fertigungsprozesse wie Spritzgießen, Resin Transfer Molding (RTM) oder automatisierte Faserablageverfahren eine wichtige Rolle. Sie ermöglichen die wirtschaftliche Herstellung komplexer Leichtbauteile in großen Stückzahlen.

Simulation

Immer wichtiger werden außerdem Simulation und digitale Entwicklungsmethoden. Mithilfe von Computersimulationen können Ingenieure Bauteile bereits vor der Herstellung optimieren. So wird die Materialmenge genau auf die auftretenden Belastungen abgestimmt, ohne die Sicherheit oder Stabilität zu beeinträchtigen.

Fazit & Ausblick

Leichtbau ist ein zentraler Baustein für mehr Energie- und Ressourceneffizienz in vielen Branchen. Besonders in der Luftfahrt, der Automobilindustrie, der Intralogistik sowie im Maschinenbau lassen sich durch Gewichtsreduzierungen erhebliche Energieeinsparungen erzielen. 

Kunststoffe spielen dabei eine Schlüsselrolle. Moderne Technologien wie faserverstärkte Kunststoffe, thermoplastische Verbundwerkstoffe, additive Fertigung und Strukturschäume ermöglichen die Entwicklung leistungsfähiger und gleichzeitig leichter Bauteile. Dadurch können Energieverbrauch, Materialeinsatz und CO₂-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus eines Produkts reduziert werden.

Der Kunststoff-Leichtbau wird auch künftig ein wesentlicher Innovationstreiber bleiben und einen wichtigen Beitrag zur Energieeinsparung, zur Reduzierung von Emissionen und zur nachhaltigen Gestaltung industrieller Prozesse leisten. Treiber dieser Entwicklung sind vor allem die Elektrifizierung des Verkehrs, die zunehmende Automatisierung in der Intralogistik sowie steigende Anforderungen an Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz.