Serienfertigung von CFK: Alleine kann es keiner
Um 250 % wird die weltweite Nachfrage nach Bauteilen aus hochfestem Carbon bis 2020 wachsen – davon geht eine Studie von Roland Berger und dem VDMA aus. Die Maschinen- und Anlagenbauer zögern trotzdem, große Summen in Forschung und Entwicklung zu stecken. Erst ein „operatorübergreifender Austausch“ treibe Innovationen voran, so die Studie.
CFK wird auch im Flugzeubau verwendet.
Foto: Airbus
Weit ist der Weg von der Kleinserien- zur Großserienfertigung und steinig: Zu diesem Fazit kommt die aktuelle Studie „Serienproduktion von hochfesten Faserverbundbauteilen“. Die Unternehmensberatung Roland Berger, München, und der VDMA, Frankfurt am Main, ergründen darin anhand von Experteninterviews, was die deutschen Maschinen- und Anlagenbauer tun können, um die – heute meist händischen – Prozesse Schritt für Schritt zu industrialisieren. Hohe Stückzahlen bei den glasfaserverstärkten (GFK) und kohlenstofffaserverstärkten (CFK/Carbon) Kunststoffbauteilen, so der Kern der Studie, erfordern zuerst leistungsfähige Automatisierungslösungen.
Studie: Bis 2020 wächst der Markt für CFK um 17 % jährlich
Die Zahlen sprechen dafür, dass sich die Unternehmen mit der Suche nach Lösungen beeilen müssen, wollen sie die nach Faserverbundbauteilen hungernden Märkte dauerhaft füttern. Auf absehbare Zeit steigt laut Studie die Nachfrage. Allein der Markt für CFK wachse bis 2020 weltweit mit 17 % pro Jahr – auf dann 350 % des heutigen Volumens.
Die Nachfrage nach hochfesten Faserverbundbauteilen ist von einem Mix aus Anforderungen getrieben. Die Werkstoffklasse ermöglicht erst einige Anwendungen durch ihre Materialeigenschaften – in der Windindustrie lassen sich Rotorblätter mit angestrebten 80 m Länge wohl nur mit endlosfaserverstärktem CFK realisieren. Das geringere Bauteilgewicht hilft zudem den Betreibern Energie einzusparen und damit gesetzliche Vorgaben – etwa zum CO2-Verbrauch – zu erfüllen.
Voraussetzung für die in der Studie angestellten Wachstumsprognosen: Die Preise für Carbonbauteile sinken. Bis zu 30 % günstigere Produkte im Jahr 2020 halten die Studienautoren für realistisch. Zu einem geringen Teil rühre das aus einer um rund 20 % günstigeren Rohfaser. Hauptsächlich aber setzen die Experten von Roland Berger und VDMA auf Prozessverbesserungen (-40 % Prozesskosten) und damit auf die Leistung der Ingenieurinnen und Ingenieure.
Die Branche steht vor einem Fragenberg. Wissen, das für traditionelle Konstruktionswerkstoffe wie Stahl und Aluminium über Jahrzehnte angehäuft wurde, muss nun für CFK in kurzer Zeit gesammelt werden.
Faserverbundwerkstoffe: Optimale Recyclingroute fehlt
Laut der Studie „existiert noch keine optimale Recyclingroute für Faserverbundwerkstoffe“. Nach heutigem Stand könne das Material zwar bedingt wiederverwertet werden, es entstünden dabei allerdings „minderwertige Halbzeuge“ aus kurzen Fasern, die geringer belastet werden könnten als das endlosfaserverstärkte Originalbauteil. Zudem seien die Fehlererkennung und die anschließende Reparatur problematisch. Während etwa bei Metallen Defekte in der Regel an der Oberfläche sichtbar seien, träten – das Material erheblich schwächende – Delaminationseffekte häufig im Inneren des Bauteils auf.
Die größte Herausforderung liegt aber laut der Studie darin, die Herstellungskosten entscheidend zu senken: nach dem Wunsch der Automobilindustrie um 70 % gegenüber dem Preis von 2010. Bedingung dafür sind große Bauteilserien mit entsprechenden automatisierten Prozessen. Großes Industrialisierungspotenzial zeigen vor allem das Resin-Transfer-Molding-Verfahren (RTM) und das Form- und Fließpressen. Sie eignen sich jeweils langfristig für die serielle Fertigung von Struktur- und Flächenbauteilen.
Aus Sicht der Experten von Roland Berger und VDMA werden sich aber Großserien mit Stückzahlen über 100 000 pro Jahr erst nach 2020 etablieren. Das Zeugnis, welches die Studie dem Maschinen- und Anlagenbau ausstellt, fällt noch bescheiden aus. Insbesondere bei der Vernetzung der am Herstellungsprozess beteiligten Gewerke bestehe noch „erheblicher Optimierungsbedarf“. Die Unternehmen hätten bislang nur wenig Wissen über die Prozesse außerhalb ihres Fachbereiches erworben.
Die Fertigung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen ist, so die Studienautoren, aber ein zutiefst interdisziplinärer Prozess. Allein an RTM-Verfahren seien mindestens sechs Disziplinen beteiligt.
Die CFK-Produktion bleibt vorerst ein Nischenmarkt
Von Seiten der Endkunden aus den Segmenten Automotive, Windindustrie, Flugzeugbau und Maschinenbau bestehe zudem der Wunsch, dass die Technologieanbieter stärker in Forschung und Entwicklung investiren mögen. Demgegenüber sind nur 39 % der befragten Maschinen- und Anlagenbauer zu hohem Risiko bei Faserverbundtechnologien bereit (78 % in ihren Kerngeschäften), denn die CFK-Produktion bleibt vorerst ein – wenn auch schnell wachsender – Nischenmarkt. Derzeit werden jährlich nur 40 000 t CFK produziert, aber 1,3 Mrd. t Stahl.
Durch die Vielzahl der Beteiligten entlang der Prozesskette, heißt es in der Studie, sei auf lange Sicht kein „natürlicher Führer des Gesamtsystems“ zu erkennen. Der Schluss: operatorübergreifender Technologieaustausch. „Im Sinne einer zügigen Technologieentwicklung ist eine unternehmensübergreifende Kooperation zwingend erforderlich.“
Schließlich gilt es, die Gelegenheit nicht zu verpassen, sich schon heute am Weltmarkt zu positionieren. Die Experten sind sich sicher: „Die Maschinenbauer, die in dieser frühen Phase dabei sind, können einen Know-how-Vorsprung aufbauen.“
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