INTERVIEW

"CFK ist das bessere Material der Zukunft"

Durch die Bestrebungen, das Autofahren komfortabler zu machen, wird eine gute Akustik immer wichtiger. Steife Leichtbaustrukturen sind aber typischerweise akustisch nicht vorteilhaft. Die ATZ sprach mit Professor Paolo Ermanni von der ETH Zürich über Vor- und Nachteile der Faserverbundkunststoffe wie CFK im Vergleich mit Stahl, Aluminium und Magnesium und darüber, warum er seinen Toyota Prius liebt.

Neue Werkstoffe wie Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) und Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) für das Auto sind "in". BMW und SGL Carbon kooperieren bei diesem Thema. Welche Akustikprobleme bringen sie mit sich?
Plakativ kann ich antworten, dass diese Faserverbünde, kurz FV genannt, ähnliche Probleme mit sich bringen wie alle Leichtbauwerkstoffe. Bei Anregungen unterhalb von 400 Hertz bringen GFK- und CFK-Werkstoffe Vorteile gegenüber konventionellen Stahlblechen mit sich, weil ihr Dämpfungsverhalten günstiger ist. Es ist aber an dieser Stelle zu betonen, dass die Dämpfungseigenschaften des Materials allein nicht ausreichend sind, um die Struktur adäquat zu beruhigen. Aus diesem Grund benötigen FV-Strukturen ebenfalls zusätzliche Dämpfungsmaßnahmen. Im Fall von faserverstärkten Kunststoffen stehen allerdings dem Entwickler aufgrund des Verbundcharakters und des Mehrschichten- Aufbaus des Materials zusätzliche Konstruktionsparameter zur Verfügung, um die globalen und lokalen Steifigkeitseigenschaften unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Struktur gezielt einzustellen.

Geht das auch bei Karosserien?
Ja, man kann bei einem Karosseriebauteil ebenfalls die Steifigkeitseigenschaften definierter festlegen. Dies kann zum Beispiel hinsichtlich höherer Eigenfrequenzen der ersten Vibrationsmodi geschehen. Die Eigenmodi der Karosserie überschneiden sich somit weniger mit den Anregungen von Motor und Fahrwerk, wodurch der Fahrkomfort verbessert wird.

Wie sieht es über 400 Hertz aus?
Im oberen Bereich sehe ich die Schalldurchlässigkeit der Verbundwerkstoffe als nachteilig an. Der Akustiker möchte eigentlich Materialien haben, die schwer und weich sind. Faserverstärkte Kunststoffe und andere Leichtbau-Werkstoffe wie Aluminium und Magnesium sind aber leicht und steif. Daraus ergibt sich ein höherer Aufwand der akustischen Optimierung. Wie bei konventionellen Ausführungen helfen Teppiche, Schaummaterialien und Filze, die im Innenraum angebracht werden, die Passagiere vor Lärm zu schützen.

Welchen generellen Noise-Vibration-Harshness(NVH)-Trend sehen Sie bei Personenwagen?
Die Kundenerwartungen steigen stetig. Ich glaube aber, dass wir uns allmählich gegen einen Grenznutzen bewegen. Es wird immer schwieriger, das Auto als ganzheitliches System zu verbessern. Das Auto soll immer komfortabler und sicherer werden, gleichzeitig wird die Anforderung nach leichteren und noch umweltfreundlicheren Fahrzeugen immer stärker. FV-Kunststoffe (FVK) besitzen aufgrund ihrer hohen Anzahl an Konstruktionsparametern einen im Vergleich mit konventionellen anisotropen Werkstoffen wesentlich größeren Entwicklungsraum und ermöglichen somit, unter Berücksichtigung des komplexen Anforderungskatalogs moderner Fahrzeugstrukturen, optimale Lösungen zu finden.

Dann sind FV-Kunststoffe das Allheilmittel für die Zukunft?
Die FV-Bauweise ermöglicht die Verwirklichung von innovativen und effizienten Lösungen; Der Gedanke der Funktionsintegration spielt dabei eine zentrale Rolle. Strukturelle und funktionelle Anforderungen an neue Konstruktionen steigen stetig. Mit FVK hat man die einmalige Chance, Funktionen, die bisher von zusätzlichen Komponenten erfüllt wurden, durch eine einzige hochintegrierte Konstruktion abzudecken. Dies gilt natürlich auch für Akustikmaßnahmen, die sich bei FVK leichter integrieren lassen als bei herkömmlichen Werkstoffen wie Stahl. Gewicht und Anzahl der Teile lassen sich demzufolge signifikant reduzieren. Durch den Schichtenaufbau beziehungsweise durch die unterschiedlichen Faserrichtungen in den einzelnen Schichten lassen sich die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften des Materials in einem großen Bereich optimieren und sogar Dämpfungselemente einbringen, die sowohl der Steifigkeit dienen als auch die Vibrationen dämpfen. Die Effizienz und Funktionalität dieser Systeme lässt sich durch die Einbettung von adaptiven Werkstoffen mit sensorischen und aktuatorischen Eigenschaften weiter erhöhen. Aber der Segen, an vielen Stellschrauben das Verhalten der Struktur einstellen zu können, ist auch zugleich der Fluch. Der komplexe Entwicklungsraum moderner FVK erschwert und verlangsamt die Lösungsfindung. Moderne Simulations- und Optimierungswerkzeuge leisten da Abhilfe.

Die Stahl-Befürworter nennen gern die Ökobilanz als großen Vorteil ihres traditionellen Werkstoffs. Was halten Sie denen entgegen?
Zum einen die technischen Gründe: Die komplexen Anforderungen lassen sich meiner Meinung nach heutzutage besser mit CFK als mit Metallen erfüllen. Strukturen müssen ganzheitlich Probleme lösen können. Zum anderen ist unter Berücksichtigung des gesamten Produktzyklus der CFK der nachhaltigere Werkstoff. Nach der Gesamtenergiebilanz sind FVK im Vorteil. Sie brauchen zwar mehr Energie, um hergestellt zu werden. Aber meine Kollegen von der K. U. Leuven wie die Herren Van Acker und Verpoest haben festgestellt, dass bei einer normalen Benutzung eines CFK-Autos von 86.000 bis 132.000 Kilometern ein Break-even erreicht wird. Das heißt, ab dann kommt die eingesparte Energie durch die leichtere Struktur voll zum Tragen. Und heute hält ein Durchschnittsauto ja 150.000 Kilometer und mehr. Recycling von großen Mengen an CFK ist heute noch eine Herausforderung. Ansätze, um Kohlenstofffasern werkstofflich zu recyceln sind erprobt. Große und seriöse OEMs wie BMW planen Fahrzeuge mit einer CFK-Karosserie. Sie haben sich mit dem Thema Recycling auseinandergesetzt und bestimmt adäquate Lösungen gefunden.

Mit Ihrem Luftfahrt-Hintergrund: Wie kann die Automobilentwicklung von der Luftfahrt hinsichtlich der Akustik lernen?
Mit dem Flugzeugbauer Dassault haben wir im Rahmen eines EU-Projekts (Maaximus) lasttragende CFK-Elementen mit integrierten Dämpfungsschichten entwickelt. Dabei haben wir nicht nur die Vibrationen besser getilgt, sondern auch die mechanischen Eigenschaften optimiert. So ein System könnte ich mir auch gut im Pkw vorstellen. Ein solches System könnte man auch aktiv betreiben, also mit integrierten Aktuatoren, Sensoren und elektrischen Schaltungen versehen, womit wir gezielt Vibrationen reduzieren können. So etwas können Sie nur mit FVK realisieren.

Sind denn Autos - Volkswagen lobt seinen Golf VI wegen der Ruhe im Innenraum - nicht generell leiser als Flugzeuge?
Nein, gerade im Bereich der Geschäftsflugzeuge bestehen extreme Anforderungen an die Akustik. Für Hersteller wie Dassault ist der Komfort als Verkaufsargument sehr wichtig. Ein gewisser Lärmpegel wird zwar bei einem Airbus 320 oder einer Boeing 737 toleriert, man möchte vielleicht damit, dass nicht jeder Passagier beim Nachbar mithorcht. Bei Business-Jets geht so etwas aber gar nicht. Diese Jets sind innen so leise wie eine S-Klasse von Mercedes-Benz.

Welches Auto hat für Sie privat den schönsten Klang?
Ja, da werden viele staunen, ich fahre einen Toyota Prius III. Und nicht nur im Elektromodus ist er so schön leise. Einen tollen Sound brauche ich nicht, es geht mir um Verbrauchsreduzierung. Verbundkunststoff-Teile hat er zwar nicht im Karosseriebereich, höchstens als Sekundärteile. Er beeindruckt mich durch den niedrigen Lärmpegel im Ottomotor-Modus und durch das harmonische Zusammenspiel von Verbrennungsmotor und Elektromotor. Und der Wagen ist generell sehr leise, groß und angenehm.

Lieber Professor Ermanni, vielen Dank für das interessante Gespräch.

(Bild: Heidi Hostettler)

Autor(en): Michael Reichenbach