Brückenbau. Das war ganz am Anfang mal eine Arbeit mit Steinen. Später kam Holz dazu, noch später Stahl, dann Beton. Und heute? Kohlefaser! Wer an der pontifikalen Fähigkeit des Werkstoffs zweifelt, hätte gut daran getan, Ende Oktober 2011 einen Blick in das Premium Aerotec Auditorium der Hochschule Augsburg zu werfen. Acht Teams von Studierenden trafen sich dort zur Endausscheidung des Brückenbauwettbewerbs des Carbon Composites e.V. (CCeV). Das beste Team des Wettbewerbs feierte sozusagen einen „Heimsieg“: die Azubis von Eurocopter. Ihre Brücke hielt bei einem Eigengewicht von 859 Gramm einer Last von mehr als zwei Tonnen stand.

Der Verein will mit dem Wettbewerb, der zum dritten Mal ausgetragen wurde, jungen Leuten den Werkstoff Carbonfaser nahebringen und das Verständnis dafür schärfen. Das ist offensichtlich gelungen, denn „wir haben gut überlegte Entwürfe gesehen, bei denen die Versagenslast aufgrund von Vorversuchen gut vorausgeschätzt oder berechnet wurde“, so Johann-Peter Scheitle, stellvertretender Geschäftsführer des CCeV.

Über solche öffentlichkeitswirksame Wettbewerbe hinaus geht es den Carbon-Verbund-Spezialisten vor allem darum, die Erkenntnisse aus dem Fortschritt einzelner Unternehmen zu koordinieren und Anwendungswissen verfügbar zu machen. Versteht der Verein sich doch als Kompetenznetzwerk zur Förderung der Anwendung von Faserverbundtechnologien. Die Aktivitäten von CCeV sind auf die Produktgruppe „Marktfähige Hochleistungs-Faserverbundstrukturen“ ausgerichtet. Der Fokus liegt auf Faserverbundstrukturen mit Kunststoffmatrizes, wie sie aus vielen Anwendungen auch einer breiteren Öffentlichkeit bekannt sind, sowie auf Faserverbundstrukturen mit Keramikmatrizes mit ihren höheren Temperatur- und Verschleißbeständigkeiten. Neben der regionalen Ausdehnung müssten, so CCeV-Vereinsvorstand Dr. Reinhard Janta, „deutliche Akzente bei der Erweiterung der Anwendungen von Hochleistungsfaserverbundtechnologien und -anwendungen gesetzt werden“. Seien früher die Luft- und Raumfahrtindustrie der Treiber dieser Werkstoffklasse gewesen, so der Geschäftsführer von SGL Carbon in Meitingen, „so sehe ich in Zukunft einen steigenden Informations- und Anwendungsbedarf bei der Automobilindustrie und ihren Zulieferern“.

Ein weiterer Schwerpunkt der Vorstandsarbeit in den nächsten Jahren werde der Bau und der erfolgreiche Betrieb des Technologiezentrums Augsburg (TZA) im Innovationspark auf dem Gelände der Universität bilden. „Hier gilt es zu beweisen, dass eine enge Verzahnung von Wissenschaft und Wirtschaft in gemeinsamen Projekten und Forschungseinrichtungen ein hocheffizienter Weg ist, Entwicklungen schnell voranzutreiben und damit die für Deutschland so wichtigen Standortvorteile zu sichern und auszubauen.“ Welch umfangreiches Anwendungsspektrum und welch aussichtsreiche Marktperspektiven sich daraus ergeben, das hatte der in Augsburg ansässige Verein erst unlängst in seinem inzwischen zweiten „Marktbericht für Faserverbundmaterialien“ dokumentiert. Diesem Papier zufolge nimmt der Gebrauch von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) weiterhin zu. Unter dem Aspekt der Ressourcenschonung bzw. des Preis-Leistungs-Verhältnisses sieht der CCeV die Kombination des teuren und hochwertigen, aber langlebigen Werkstoffs CFK mit bewährten Materialien wie Alu und Stahl als empfehlenswert an. „Für eine ressourcenschonendere urbane Mobilität ist die Leichtbauweise bei allen Verkehrsmitteln zu Lande, zu Wasser und in der Luft das Gebot der Stunde“, sagt Bernhard Jahn, Projektarchitekt und Verfasser der CCeV-Marktstudie. Der Bedarf an Carbonfasern wird 2015 bereits die heute zur Verfügung stehende Kapazität zur Gänze beanspruchen. Dies dürfte mit ein Grund sein, dass nun auch ambitionierte chinesische Hersteller den Carbonfasermarkt mitbestimmen wollen.

Laut dem zwölften Fünf-Jahres-Plan für die Chemical Fiber Industrie in China ist voraussichtlich bereits 2015 mit einer Kapazität von ca. 12.000 Tonnen Carbonfaser aus dem Reich der Mitte zu rechnen. Composites mit Matrizes auf Basis Kohlestoff, Keramik, Glas oder Metall sind Exoten und als Werkstoff für spezielle Einsatzgebiete vorgesehen. Sie kommen überwiegend in der Raumfahrt zur Anwendung, werden aber auch schon als CFC in größerem Umfang für hochwertige Bremsscheiben eingesetzt. Die absolute Menge bei dieser Composite-Klasse wird mit ca. fünf Prozent Markanteil angenommen. Der Hauptanteil ist eindeutig den Composites mit Kunststoffen (zum Beispiel Epoxid-, Phenol- Polyesterharz usw. sowie Thermoplasten) als Matrix zuzuschreiben. CFK auf Basis Epoxid- wie auch Phenolharz deckt aufgrund seines Eigenschaftsprofils ein breites Anwendungsfeld ab. Polyesterharze finden aufgrund ihres Preis-Leistungs-Verhältnisses nun auch verstärkt Einsatz in höherwertigen Anwendungsgebieten. Im Bereich der marinen Anwendung (zum Beispiel Bootsbau) sowie im Bauwesen stellt CFK mit Polyesterharzmatrix das dominierende Material dar. Das CFK-Marktvolumen hat 2010 fast das Niveau von 2008 erreicht und wird 2011 dieses noch deutlich überschreiten. Nach der Überwindung der Wirtschaftskrise sehen Analysten für die kommenden Jahre wieder zweistellige Wachstumsraten. Abgesehen von den zurückkehrenden Geschäften aus den Bereichen Sport, Industrie und Raumfahrt werden als Ursache für eine zusätzliche Belebung des Marktes verschiedene Gründe angeführt: Dazu gehören in der Luftfahrtindustrie vor allem die deutlich erhöhten CFK-Anteile im Strukturbereich der neu entwickelten Maschinen (Boeing B787, Airbus A350-XWB usw.).

Die Katastrophe in Fukushima ist der Auslöser dafür, dass erneuerbare Energien schneller und konsequenter ausgebaut werden sollen. Dies ist kurzfris tig nur über die Neuinstallation von großen Windkraftanlagen (Offshore mit Leistungen von mehr als fünf Megawatt) bzw. durch das Re-Powering bestehender Standorte zu erreichen. Für Windkraftanlagen im Leistungsbereich von mehr als fünf Megawatt werden größere Rotorblätter benötigt, die ihrerseits wiederum eine höhere Steifigkeit aufweisen müssen. Rotorblätter, die allein auf GFK basieren, können diesen Anforderungen nur bedingt gerecht werden. CFK-Ver stärkungsgurte werden hier zukünftig vermehrt zum Einsatz kommen. Ende 2010 waren weltweit Windkraftanlagen mit ca. 190 Gigawatt Gesamtleistung installiert. Es wird, wie schon in den Vorjahren 2009 und 2010, auch für die kommenden Jahre mit einem jährlichen Zubau von ca. 30 Gigawatt gerechnet. Der Fukushima-Effekt ist hierbei allerdings noch nicht berücksichtigt. Bei Elektroautos müssen die eingebrachten Zusatzgewichte durch E-Motoren, Batterie usw. durch eine Leichtbauweise kompensiert werden. Nur so können hier akzeptable Reichweiten erzielt werden. Auch bei Fahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren kann bereits durch eine Gewichtsreduktion von 100 Kilogramm der Kraftstoffverbrauch um ca. 0,3 Liter pro 100 Kilometer gesenkt werden. Im Übrigen könnten diese auch indirekt über den Umweg der Wasserstoffelektrolyse und Methan-Synthese mit Solar- und Windstrom betrieben werden. Wenn Massen bewegt werden, ob nun für unsere Mobilität oder zur Herstellung bzw. zum Transport von Produkten und Gütern, tragen Gewichtseinsparungen wesentlich zur Kostenreduktion und Effizienzsteigerung bei. Der Werkstoff CFK kann hier sein herausragendes Leichtbaupotenzial gegenüber allen anderen Werkstoffen aufzeigen.

Bei optimalem CFKgerechten Design der Bauteile kann mit diesem Werkstoff gegenüber Stahl eine Gewichtsreduzierung von bis zu 70 Prozent und gegenüber Aluminium von bis zu 30 Prozent realisiert werden. Spürbare ökologische und ökonomische Effekte können aber nur dann erzielt werden, wenn die Leichtbauweise auch in großem Umfang zur Anwendung gelangt. Hierzu sind eine großserientaugliche Produktion von CFK-Bauteilen und die damit einhergehende Automatisierung bei der Herstellung zwingend erforderlich. Dies ist der Schlüssel, damit CFK-Bauteile in großem Umfang in der Automobil- wie auch in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden können. CFComposites mit thermoplastischen Matrizes werden hierbei eine wichtige Rolle übernehmen. Um den Fortbestand der Menschheit zu sichern, ist grundsätzlich ein ressourcenschonender Umgang mit den vorhandenen Rohstoffen erforderlich.Dies wird die Herausforderung der Zukunft sein. Eine Schlüsselstellung wird hierbei der Umgang mit Energie einnehmen. Ob nun Energie erzeugt, verbraucht oder gespeichert wird, das Leichtbaupotenzial von Composites bietet eine Vielfalt an Möglichkeiten und wird einen bedeutenden Beitrag zur Erhöhung der Energieeffizienz leisten. Die Beständigkeit wie auch die Langlebigkeit von Composites sowie deren Kombination mit traditionellen Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Titan werden zusätzliche Anwendungsfelder eröffnen. Nicht nur die Substitution von Stahl, sondern auch die intelligente Kombination und Integration von Stahl mit CFK kann eine ökologische und ökonomische sinnvolle Materialkombination darstellen.

Allein aufgrund der Mengen, die derzeit verarbeitet werden, ist von einer vollständigen Substitution von Stahl und Aluminium durch Composites nicht auszugehen bzw. wäre weder realistisch noch als erstrebenswert anzusehen. Das Fazit des CCeV-Mannes Jahn lautet: „Die Marktkräfte werden entscheiden, welche Werkstoffe bzw. Werkstoffkombinationen sich in welchen Anwendungsbereichen durchsetzen werden. Hierbei sollte allerdings in Zukunft mehr der ökologische und nicht der wirtschaftliche Aspekt der entscheidende Faktor sein.“ Die Vorreiterrolle Bayerisch-Schwabens ist dabei nach Jantas Worten unbestritten: „Der größte Erfolg des CCev ist, dass die Initiative einiger weniger aus der Region Bayerisch-Schwaben inzwischen zu einer Bewegung geführt hat, die heute in ganz Deutschland, in Österreich und auch der Schweiz bekannt ist. Der CCeV und seine Mitglieder sind zu einem gut funktionierenden Netzwerk zusammengewachsen. Wir sind heute ein nicht mehr wegzudenkender Gesprächspartner, wenn es um Carbon- und Keramikfaserverbundwerkstoffentwicklungen geht."