Elektroautos profitieren von der Leichtbauweise, weil sie das Fahrzeuggewicht spürbar senken und damit die Reichweite deutlich verbessern. Bei klassischen Motoren sinkt mit dem Gewicht der Verbrauch wie auch der CO2-Ausstoß. Aber auch andere Branchen profitieren: kleinere Massen machen Roboter schneller, Flugzeuge leichter und minimieren gleichzeitig den Materialverbrauch. Leichtbau kann aber nicht nur Produkte verbessern – er schützt auch die Umwelt. Allein im deutschen Maschinenbau könnte jährlich der CO2-Ausstoß einer deutschen Großstadt eingespart werden.

Zu den Vorteilen des Leichtbaus befragte das Fraunhofer ISI 100 Experten aus Industrie und Forschung. Demnach sehen deutsche Leichtbauexperten den größten Nutzen in der Gewichtsreduktion. Dazu kommen als weitere positive Faktoren die Konstruktionsoptimierung, Energieeffizienz und Leistungssteigerung. Als Haupthindernisse nannten sie die mit der Leichtbaulösung verbundenen Kosten – gefolgt vom Recycling, das mit dem Einsatz zunehmend vielfältigerer Materialmixe komplexer wird.

Die Relevanz des Themas ist inzwischen auch auf höchster politischer Ebene angekommen: Laut Koalitionsvertrag ist Leichtbau neben Industrie 4.0 und Elektromobilität als Querschnittsbereich für eine strategische Innovationspolitik von besonderer Bedeutung

Moderner Leichtbau ist mehr als Materialsubstitution. Geschäftsführer der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg (Leichtbau BW), Dr. Wolfgang Seeliger meint dazu in einer kürzlich veröffentlichten Studie: "Die Stichworte der Zukunft lauten Multimaterialdesign, also hybrider Leichtbau und Konzeptleichtbau. Neue leichtbauspezifische Methoden werden von Anfang an in Entwicklung und Produktionskonzept integriert. In dieser Phase werden bereits 70 bis 80 Prozent des späteren Produktgewichts festgelegt. So viel kann man durch die Verwendung leichter Materialien sonst nicht erreichen."

Seeliger sieht auch die Verbindung von Material und Prozess: "Wichtige Aspekte des Wandels im Leichtbau sind Konzept-Leichtbau sowie eine Digitalisierung der Wertschöpfungskette. Die Vorgaben zum Konzept- Leichtbau wurden zum Beispiel für die Radaufhängung des Porsche 918 Spyder umgesetzt. Dabei wurden Funktionen von Radträger, Radnabe, Radlager und Gelenkwelle integriert. Unter den Strich konnten so acht Kilogramm Gewicht eingespart werden. Neben weniger Verbrauch führt die Gewichtsreduktion beim Spyder zu mehr Dynamik und Performance – ohne ein zusätzliches PS."

Die Automobilindustrie ist neben der Luftfahrtindustrie Vorreiter der konventionellen Leichtbauweise

Deren Potenziale werden voraussichtlich innerhalb der nächsten zwei Fahrzeuggenerationen konsequent ausgenutzt. Mittelfristig steht damit ein grundsätzlicher Umbruch an. Die neuen Konzepte ermöglichen Produkten mit höherer Leistungsfähigkeit. Deshalb werden weitere Branchen nachziehen und mit Leichtbau ihre Wettbewerbsfähigkeit weiter ausbauen.

Die Grundlagen dafür sind schon gelegt: die Patentanmeldungen für den Bereich Leichtbau steigen seit Jahren: klarer Treiber ist hier die Elektroindustrie, gefolgt vom Automobilsektor, der Energie- und Elektrotechnik. Nichtsdestotrotz wird der Transportsektor bis auf weiteres der Hauptabnehmer für den Leichtbau bleiben – mit einem geschätzten Marktvolumen von 140 Mrd. Euro in 2020. Die Marktgrößen für den Elektrotechnik und Maschinenbau liegen im gleichen Zeitraum zwischen 25 und 40 Mrd. Euro.

Aussagestark sind die partiellen Entwicklungen in den einzelnen Branchen. Im Automobilsektor beträgt das jährliche Wachstum circa sieben Prozent. Speziell der Nutzfahrzeugmarkt wird mindestens doppelt so stark wachsen. Da hier kleinere Stückzahlen vorherrschen, ist dies gerade für mittelständische Unternehmen ein besonders interessanter Markt. Hochleistungsstähle zählen vom absoluten Marktvolumen betrachtet zu den wichtigsten Leichtbaumaterialien für die Transportbranche. Die Gründe liegen auf der Hand: Metall-Leichtbau (besonders HSS, Ti, Mg) ist bereits ein erprobtes Verfahren und birgt in der Wertschöpfungskette deshalb geringere Risiken. Einen stark wachsenden Markt bilden die Faserverbundstoffe (FVK), speziell für Nutzfahrzeuge und in der Luft- und Raumfahrt. Die absolute Marktgröße ist aber noch bis mindestens 2020 gering.

Die Möglichkeiten durch Leichtbau zeigen auch die Exponate auf der HANNOVER MESSE: in der Solutions Area in Halle 6 erwartet den Besucher zum Beispiel die Karosserie des neuen Audi R8. Der Audi Space Frame (ASF) bringt nur 200 Kilogramm auf die Waage und ist damit um zehn Kilogramm leichter als beim Vorgängermodell. Beim Topmodell R8 V10 setzt sich der ASF zu 79 Prozent aus Aluminium und zu 13 Prozent aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) zusammen. CFK ist dort im Einsatz, wo es bessere Ergebnisse erzielt als Aluminium – aus CFK bestehen die Rückwand, der Mitteltunnel und die dreiteiligen B-Säulen.

BMW setzt bei den Fahrgastzellen der bereits in Serie produzierten Modelle i3 und i8 dagegen ganz auf CFK. Die Faser wird in den USA produziert, die Produktionsenergie stammt ausschließlich aus regenerativer Wasserkraft. Der zweite Prozessschritt, die Verarbeitung der Faserbündel zu textilen Schichten, erfolgt in Wackersdorf. Die Herstellung der CFK-Komponenten wird dann in den BMW-Werken in Landshut und Leipzig finalisiert. Insgesamt sind im i3 mehr als 150 CFK-Teile verbaut.

Druckfestigkeit oder Flexibilität versus Starrheit für den Einsatz als bewegte Teile

Im Maschinen- und Anlagenbau steht weniger die Gewichtsreduktion im Zentrum der Forschungen, sondern Eigenschaften wie Druckfestigkeit oder Flexibilität versus Starrheit für den Einsatz als bewegte Teile. Leichtbau-Komponenten ermöglichen hier zum Beispiel höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten, mehr Genauigkeit und eine höhere Lebensdauer der Maschinen. Darüber hinaus können kleinere und damit wirtschaftlichere Antriebe eingesetzt werden.

Die Energietechnik ist ein typischer Anwendermarkt für Leichtbaulösungen. Leichtbau wir hier insbesondere für die Energieerzeugung durch Windkraft wichtig, aber auch für Solarenergie und integrierte Energielösungen, konventionelle Energieerzeugung durch Turbinen und Generatoren oder für den Ausbau der Energienetze. Die Elektro- und vor allem die Energietechnik werden als kommende Innovationsmärkte für den Leichtbau sicherlich interessant, die Energietechnik ist aber nur etwa halb so groß wie der Transportsektor.

Neue Materialien, neue Prozesse, neue Anwendungsgebiete

Auf dieser Basis bieten sich für deutsche Leichtbau- Entwicklungen zukunftssichere Marktchancen. Wer besonders große Märkte im Auge hat, für den eignet sich vor allem der Bausektor. Innovative, entwicklungsstarke Unternehmen sollten dagegen die Automobilbranche, die Bauindustrie sowie die Luft- und Raumfahrt fokussieren; neben dem Maschinenbau- und Nutzfahrzeugsektor. Leichtbau ist als Thema für diese Branchen allerdings noch vergleichsweise neu und erfordert Pionier- und Überzeugungsleistungen.

Bei der Betrachtung der eingesetzten Materialien bieten hochfeste Stähle die besten Erfolgsaussichten; für sie sind Wachstum und Volumen besonders groß. Wer im Bereich der faserverstärkten Kunststoffe aktiv werden will, sollte sich der Entwicklung von Thermoplast-Technologien sowie dem Einsatz von carbonfaserverstärkten Kunststoffen im Automobilbau sowie in der Luft- und Raumfahrt widmen. Wer als KMU eher in kleineren Stückzahlen rechnet, kann jenseits des Mainstreams Speziallösungen mit den Materialien Titan oder Magnesium für die Luft- und Raumfahrt, zum Teil aber auch im Automobil- und vor allem im Nutzfahrzeugsektor entwickeln.