Carbon im Fahrzeugbau

Seit über 25 Jahren ist der Werkstoff Carbon eine feste Größe im Rennsport. Immerhin bietet die Kombination aus Leichtigkeit und hoher Festigkeit ein immenses Leistungspotential. Bei Großserien hat sich Carbon bisher jedoch aufgrund des hohen Preises nicht durchgesetzt. Das größte Einsatzspektrum der Leichtbauweise ist bei BMW aktuell im Bereich der M Performance Parts zu finden.

Carbon ist eigentlich ein Kurzwort. Der exakte Fachbegriff lautet carbonfaserverstärkter Kunststoff bzw. kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, kurz: CFK. Die Kohlenstofffasern sind im Kunststoff eingebettet. Durch Hitzeeinwirkung wird der Verbundwerkstoff versteift und gehärtet.

Die Vorteile von Carbon:

• etwa 50 % leichter als Stahl, etwa 30 % leichter als Aluminium
• bietet zugleich sehr hohe Stabilität
• beliebige Verformung möglich
• resistent gegen Korrosion

Der Autobau geht grundsätzlich in Richtung Leichtbau, denn je leichter, desto weniger Sprit verbraucht das Fahrzeug, was wiederum die CO2-Emissionen reduziert. Außerdem ergeben sich aus dem geringeren Gesamtgewicht weitere Vorteile, denn ein leichteres Fahrzeug kommt mit kleineren Bremsen und kleineren Motoren aus. Weiterhin kann Carbon im Fahrzeugbau bei den Sicherheitsanforderungen punkten, weil der Werkstoff die Aufprallenergie absorbiert.

Nachteile von Carbon:

Der größte Nachteil von Carbon ist nach wie vor der hohe Preis. Einerseits ist das Material selbst kostenintensiv (energieaufwendige Herstellung), andererseits die Verarbeitung im Fahrzeugbau. Viele Schritte erfolgen in Handarbeit statt mit Automatisierung. Zwar gab es hier seit der ersten Nutzung des Werkstoffs im Automobilbau Fortschritte zur Effizienzsteigerung, für Großserien reicht sie jedoch bisher noch nicht.

Auch bei Reparaturen macht sich der Kostenfaktor bemerkbar: Bei CFK-Teilen wird immer das gesamte Teil ersetzt, um den optimalen Faserverlauf beizubehalten. Das ist natürlich teurer als Reparaturen mit dem Schweißgerät.

Dass der Werkstoff durchaus für die Serienproduktion geeignet ist, zeigte BMW 2013 mit dem i3 (und im Anschluss auch mit dem i8). Das E-Auto war das erste Serienfahrzeug mit einer Fahrgastzelle aus Carbon. Möglich machte es die rationelle Fertigung im sogenannten RTM-Verfahren. Beim RTM (Resin Transfer Molding) werden die Kohlefasern vorgeformt, anschließend mit Harz getränkt und unter hohem Druck bei ca. 100 Grad Celsius gehärtet. Der i3 wiegt damit 1.250 Kilogramm (Leergewicht), die Fahrgastzelle wiegt weniger als 150 Kilogramm.

Fortgesetzt wird der Carbon-Einsatz in der Folgezeit beim BMW 7, wobei hier der Fokus auf dem Carbon Core Konzept liegt. Damit setzt BMW auf eine Werkstoff-Mischform aus CFK, Stahl und Aluminium. Jeder Werkstoff wird genau so eingesetzt, dass er optimale Ergebnisse für die Fahrzeugperformance liefert. Auch wenn sich Carbon dabei nur auf einen Teil der Karosserie beschränkt, bietet die intelligente Werkstoffkombination ein deutlich reduziertes Fahrzeuggewicht. So war der 7er etwa 130 Kilogramm leichter als die vorhergehende Generation, obwohl das Fahrzeug eine Vielzahl an erweiterten Ausstattungen bei Komfort und Sicherheit aufwies.

Der neue elektronische aus der BMW-Familie, der ab 2021 erhältlich sein wird, verzichtet auf das Carbon-Fahrgestell. Stattdessen kommen Stahl, Leichtmetall und Kunststoff zum Einsatz. Den Verzicht auf Carbon zur Gewichtsreduzierung beschränkt BMW allerdings auf die Elektromodelle. Hintergrund:

Seit Veröffentlichung des i3 hat sich einiges bei der Energiekapazität der Fahrzeugbatterien getan, sodass das Fahrzeuggewicht nicht mehr der entscheidende Faktor bzgl. der Reichweite ist. Vielmehr gilt es, das intelligente Energiemanagement der Fahrzeuge zu verbessern. Damit ist der höhere Preis für die Carbon-Elemente auch nicht mehr gerechtfertigt.
Wichtig ist der Leichtbau mit Carbon aber nach wie vor bei den konventionell angetriebenen BMW-Modellen. Außerdem spielt der Verbundwerkstoff eine große Rolle bei den Sportmodellen der M Performance Familie. Je leichter die Teile, desto besser die Fahrdynamik und desto größer der sportliche Fahrspaß.

M Performance Teile aus Carbon bietet BMW z.B. für:

• Motorhaube
• Frontziergitter und Frontsplitter
• Schwelleraufsatz
• Dach
• Außenspiegelkappe
• Seitenwand
• Heckklappe und Heckspoiler

Beim BMW M2 Competition sorgt der Einsatz aller möglichen M Performance Carbon-Komponenten insgesamt für eine Gewichtsreduzierung von ca. 40 Kilogramm.