Das Jahr 2030 ist vielleicht näher als gedacht

Im Räderreport genau vor Jahresfrist hatten wir gefragt, wie denn wohl die Räderhersteller des Jahres 2030 heißen mögen und bei einigen Produzenten offenkundig einen Nerv getroffen. Dort breitete sich Nervosität aus, welche Strategien man dagegen entwickeln oder lieber in irgendeiner Form im Strom mitschwimmen solle. Wer an Stahl im Automobilbau auch auf der langen Zeitleiste glaubt, der fragt sich vielleicht, ob er den Automobilherstellern nicht ein anderes Bauteil (zusätzlich) zu Rädern als Zulieferer zur Verfügung stellen kann. Beim Leichtmetall Aluminium wird sich vielleicht manch einer erinnern, dass zu Beginn des Siegeszuges der Aluminiumräder noch mancher Zulieferer auch Bauteile wie Zylinderköpfe etc. im Programm hatte. Auch der Gedanke, dass man als „Räderfirma“ und mit der enormen Kompetenz für dieses Bauteil – ganz unabhängig von dessen Material – ja geradezu prädestiniert sei, mit einem neuartigen Räderwerkstoff mitzuhalten, wäre ja schlüssig. Ronal hat offenkundig schon in solch eine Richtung gedacht, bevor der besagte Bericht in der NEUE REIFENZEITUNG erschienen ist, und sich schon mal bei der australischen Firma Carbon Revolution eingekauft, um dabei zu sein, falls sich das Material, das die Australier im Namen tragen, als ein Räderstoff der Zukunft erweist. Der weltgrößte Räderhersteller Maxion ist nicht nur offen für alle erdenklichen Materialien, weil er ja schon traditionell aus zwei verschiedenen Metallen Räder herstellt, sondern blickt vorurteilsfrei auch auf deren mögliche Kombinationen, also unterschiedliche Werkstoffe bei einem einzigen Bauteil bzw. „Radhybride“.

Ein Kunststoffrad mit der Möglichkeit eines „funktionsintegrierten“ Radnabenmotors vom Fraunhofer LBF

Hintergrund: Immer näher rücken Materialien, die den gängigen metallenen Stahl- und Aluminiumrädern den Garaus machen könnten, weil wir immer mehr über sie wissen, weil wir immer mehr lernen, wie wir sie behandeln können, wie wir daraus zu vernünftigen Kosten Zubehörteile und also auch Räder herstellen können. Produktionsmaschinen für Autozubehörteile aus Carbon oder allerlei erdenklichen Kunststoffen werden völlig neu entwickelt. Wir lernen, solche Produkte zu recyceln, sie zu reparieren. Überall wird getüftelt, ist Kompetenz „dran am Thema“, tun sich Irrwege auf und erscheinen am Horizont doch immer wieder auch ungeahnte Perspektiven. Faserverbundwerkstoffe sollen gar helfen, Bauteilschäden selbst zu reparieren, sie sind bei Beschädigungen zur Regeneration fähig. Keine Utopie, sondern ein realistisches Szenario, dass sich nach einem kleineren Bordsteincrash dank spezieller Polymer-Technologien die unschönen Folgen am Rad wie von Zauberhand verflüchtigen. Gewiss: Auf der Zeitleiste künftiger Autoprojekte, die den Zulieferern ja wenigstens partiell bekannt sind, sind Wörter wie Kunststoff oder Carbon noch nicht im Zusammenhang mit Pkw-Rädern auszumachen. Man kann also schon mal davon ausgehen, dass die Geschäfte der Firmen Maxion Wheels und mefro, Borbet und Ronal oder wie sie alle heißen mögen noch auf einige Jahre florieren werden.

Aber eben nicht auf ewige Zeiten. Nach hier vertretener Ansicht werden sich zwei neue Rädertypen herauskristallisieren: höchst anspruchsvolle sehr teure Hightech-Erzeugnisse wie Carbonräder „top of the market“ für Automodelle mit geringer Auflage auf der einen Seite und Kunststoffräder „bottom of the market“, die preisgünstig sein werden und in großen Stückzahlen auf Volumenmodellen montiert werden, auf der anderen Seite. Die beiden guten Nachrichten für all die Anbieter des Aluminiumräderersatzgeschäftes: Die extrem teuren Räder werden eine exklusive Klientel bedienen, die ohnehin kaum zum klassischen Endverbraucherkreis gehört, den sie erreichen wollen. Und wenn Zigtausende identische Volumenräder für Volumenautomodelle in der Erstausrüstung verbaut werden, dann ist das geradezu eine Einladung für die Teilnehmer des Aftermarkts, dem Designeinerlei enormer Losgrößen, die mit der Produktion von Kunststoffrädern verbunden sein werden, etwas entgegenzusetzen. Denn das wird noch auf viele Jahre unschlagbar bleiben: Aluminiumgussräder können in relativ kleinen vier-, manchmal gar nur dreistelligen Losgrößen produziert werden und lassen sich dennoch zu einem auskömmlichen Preis vermarkten. Andererseits werden künftige Kunststoffräder vermutlich mit den stählernen Pendants eines gemein haben: Damit sich ihre Produktion rechnet, bedarf es enormer Stückzahlen, etwa im mittleren bis hohen fünfstelligen Bereich. „Billige“ (in der Herstellung) Räder aus Kunststoffen würden sich (hierzulande, wohl noch nicht in Schwellenländern) zu einem natürlichen Gegner des Stahlrades entwickeln.

Dass Großkonzerne wie beispielsweise ThyssenKrupp oder BASF – so verschieden sie sein mögen – eines gemeinsam haben, bedarf der Herausstellung: Beide gehören zu den größten Zulieferern der deutschen Automobilindustrie und wissen damit ganz genau, wie das Geschäft in der Erstausrüstung läuft. Und für beide könnte aus den verschiedensten Gründen das Thema Räder noch eine große Bedeutung bekommen, obwohl sie sich bislang noch nicht mit großartiger technologischer Expertise in diesem Bereich ausgezeichnet haben.

Nehmen wir ThyssenKrupp: Dieser Großkonzern ist mächtig ins Schlingern geraten, das traditionelle Stahlgeschäft ist bekanntlich höchst zyklisch und bedarf daher des Ausgleichs: ThyssenKrupp hat seine Aktivitäten im Bereich karbonfaserverstärkter Kunststoffe (CFK) am Standort Kesselsdorf bei Dresden mit dem Tech Center Carbon Composites sowie der Produktionsstätte ThyssenKrupp Carbon Components GmbH im letzten Jahr zusammengeführt. Während das Tech Center konzernweit laufende CFK-Projekte bis zur Serienreife betreuen soll, liegt das Hauptgeschäftsfeld von ThyssenKrupp Carbon Components – ein Joint Venture mit einem Spin-off der TU Dresden – in der Entwicklung und Produktion von Fahrzeugkomponenten wie zum Beispiel Leichtbaurädern aus faserverstärkten Kunststoffen. Bei Rädern aus CFK lassen sich gegenüber herkömmlichen Leichtbaurädern aus metallischen Werkstoffen Gewichtsvorteile von 30 bis 50 Prozent erzielen, hieß es im letzten Sommer in einer Pressemitteilung des Konzerns.

Nehmen wir BASF: Die zum Daimler-Konzern gehörende Automobilmarke smart hatte auf der IAA 2011 für ein Konzeptfahrzeug „forvision“, mit dem Themen wie Energieeffizienz, Leichtbau und Temperaturmanagement gewissermaßen materialisiert werden sollten, eine Vollkunststofffelge zur Verfügung gestellt. Dass Smart das Rad als „großserientauglich“ bezeichnete, kommentieren wir jetzt mal nicht, immerhin: Drei Kilogramm Gewichtsersparnis pro Rad wären schon einmal eine echte Hausnummer. Der von BASF verwendete Kunststoff enthielt im Gegensatz zu klassischen Polyamid-Komposit-Werkstoffen lange Verstärkungsfasern, die seine mechanischen Eigenschaften verbessern. Das Resultat, so hieß es damals, seien „hervorragende thermische und chemische Beständigkeit, dynamische Festigkeit, Zähigkeit und gute Dauergebrauchseigenschaften“. Ob das Kunststoffrad optisch ansprechend in Großserie zu realisieren ist, wurde damals nicht gesagt, dürfte aber unterstellt werden. Welche Losgrößen (wohlgemerkt: nur in einer einzigen Größe bzw. Ausführung) bei der Produktion des Kunststoffrades erforderlich sind, um wirtschaftlich für alle Beteiligten (CF-Zulieferer, Weiterverarbeiter BASF, Kunde Smart, letzten Endes auch der Autokäufer) zu sein, ist die eigentlich spannende Frage. Wobei man davon ausgehen kann, dass eine Firma BASF eine gänzlich andere Grundlage hätte als ein Stahlradhersteller wie Maxion, ein Aluminiumschmiederadhersteller Otto Fuchs oder ein Aluminiumgussradhersteller wie Borbet: Bei einem Chemiekonzern würde gefragt: Wie viel Zigtausend Tonnen können wir denn von diesem Zeugs jährlich bei den Autoherstellern platzieren?

Großes Potenzial für neue Werkstoffe

Carbonfaserwerkstoffe wurden schon als „Stahl des 21. Jahrhunderts“ angepriesen. Allerdings sind bekanntlich die Erdölreserven unseres Globus endlich, irgendwann also wird man in diesem Jahrhundert auch nicht umhin können, Kohlefasern aus einem anderen Rohstoff als Erdöl herzustellen. Jedenfalls haben kohlefaserverstärkte Kunststoffe schon mal den Flugzeugbau erreicht, ja in weiten Teilen revolutioniert. Das wird den Anbietern nicht auf Dauer reichen, zumal alle großen Automobilhersteller bereits ziemlich lauthals ihr Interesse bekundet haben. Das Potenzial im Automobilbau ist enorm und verlockend: Bei einem optimalen Design von Bauteilen mit CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff) erscheinen Gewichtsreduzierungen von 70 Prozent gegenüber Stahl und 30 Prozent gegenüber Aluminium nicht unrealistisch. Hauptsächlicher Hemmschuh bislang: Für eine großserientaugliche Produktion von CFK-Bauteilen ist eine damit einhergehende Automatisierung zwingend erforderlich. Die dafür erforderlichen Maschinen kann man nicht „von der Stange kaufen“, der Maschinenbau muss hier noch viel Entwicklungsarbeit leisten. Das wird dauern, aber wenn aus dem Hemmschuh ein passendes Schuhwerk wird, dann wird man Composites in großem Umfang in der Automobilindustrie einsetzen können. Und eines der ersten Bauteile, auf das sich involvierte Firmen – wie immer sie heißen mögen – stürzen, werden die Räder sein.

Experten haben längst die Testmöglichkeiten von Kunststoffrädern diskutiert und erste Antworten gefunden

Der zweite Hemmschuh ist nach Ansicht des Verfassers nur ein vermeintlicher, wird aber von den Kritikern der neuen Materialien immer wieder gerne strapaziert: Wie wird eigentlich ein Kunststoffrad geprüft, um es für straßentauglich befinden zu können? Nach den gleichen Kriterien wie Aluminiumräder? Natürlich hat diese Frage längst einschlägige Experten auf den Plan gerufen. So war genau dies bei der elften Anwenderkonferenz für zweiachsige Betriebsfestigkeitsversuche „UC 11 – Users Conference on Biaxial Fatigue Testing“ Anfang November 2013 im Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF ein zentrales Diskussionsthema für rund 50 Spezialisten aus Europa, Asien und den USA. Abgesehen davon, dass nach hier vertretener Auffassung nur ein großer Automobilhersteller wie Daimler, BMW oder Volkswagen seine Begehrlichkeit für Kunststoffräder formulieren muss, und schon wären etwaige Hürden plötzlich viel weniger hoch, bewiesen die Experten auf der Tagung, dass sie schon einen großen Schritt weiter sind als die Kritikaster, womit sie nicht die Weiterentwicklung des bewährten ZWARP-Radprüfstandes (seit 1982 in Dienst!) in Form des „WALT“ meinten. Schon 2011 hatte das Fraunhofer LBF auf der IAA ein kohlenfaserverstärktes Kunststoffrad (3,5 Kilogramm schwer bei der Größe 6,5×15 Zoll) kombiniert mit einem Radnabenmotor vorgestellt, einem Thema, dem sich große Zulieferer (Michelin, Schaeffler etc.) ebenso intensiv widmen wie die Autohersteller selbst (z. B. Ford oder PSA). Das LBF hat mit dieser Entwicklung eine Tür aufgestoßen, die ein globales Megathema für die Automobilindustrie ist: die Elektromobilität!

Noch liegt der Einsatz von Kohlefaser-Composites im Automobilbau bei vielleicht knapp sechs Prozent. Übrigens korreliert diese Zahl zufällig mit der der weltweit zur Verfügung stehenden Carbonfasern (CF, die zu 95 Prozent zu CFK weiterverarbeitet werden): Davon entfallen auf den Automotive-Bereich auch etwa fünf Prozent. Wie schnell dieser Anteil in den kommenden Jahren steigt, das dürfte angesichts der derzeit noch enormen Kosten (CFK ist pro Kilogramm vielleicht zehnmal so teuer wie Aluminium, das wiederum – je nach Zeitpunkt der Momentaufnahme – gut doppelt so teuer wie Stahl ist) zur spannenden Frage avancieren. Wahrscheinlich aber ist für CFK noch im nächsten Jahrzehnt insgesamt ein Nischendasein vorherbestimmt. Ein längerfristigerer Ausblick erscheint doch sehr spekulativ. Und dann wären wir ja auch schon gar nicht mehr so weit vom hier gewählten Jahr 2030 entfernt.

Nehmen wir für einen Moment eine etwas kürzere Zeitspanne ins Visier: Werkstoffexperten und mit dem Produkt CFK Vertraute taxieren eine jährliche weltweite Bedarfssteigerung von rund 70.000 Tonnen (im Jahre 2013) auf für das Jahr 2020 gut 200.000 Tonnen CFK, je nach Wirtschaftsszenario. An den theoretischen Produktionskapazitäten der erforderlichen Fasern (des Rohstoffes „CF“ also) dürfte es dabei nicht mangeln, denn die stehen heute schon fast parat bzw. befinden sich aktuell im Aufbau. (Zum Vergleich: Der globale jährliche Stahlkonsum liegt in einer Größenordnung von 1,4 Milliarden Tonnen. Da existiert also eine mächtige „Lobby der Störenfriede“.) Es geht also nicht nur um Maschinen, die zur Ver- bzw. Bearbeitung von CFK entwickelt werden müssen, es geht auch um die erforderlichen Grundstoffe. So geht aktuell schon ein Großteil der Carbonfasern für Rotorblätter von Windkraftanlagen drauf.

Die Automotive-Themenblöcke Leichtbau/Gewichtsreduktion, CO2-Flottenausstoß (bzw. bei Überschreiten Strafzahlungen) oder Elektromobilität spielen der CF-/CFK-Branche in die Karten und dürften zum Treiber dieser Materialien werden. CFK werden bereits als Zukunftsprodukte im künftigen Automobilbau gesehen – überproportional übrigens von den europäischen Autoherstellern. Im Jahre 2012 wurden im Automobilbau erst rund 2.150 Tonnen Carbonfasern verbaut, bei einem erwarteten Zuwachs von jährlich mehr als 30 Prozent würde sich dieses Volumen bis zum Jahre 2020 verzehnfachen. Freilich wird das nur klappen, wenn bis dahin die Kosten für CFK-Autoteile – womit dann auch Räder gemeint sein könnten – deutlich sinken, wobei dieses Potenzial sowohl durch eine nochmalige Verringerung der eingesetzten Materialien als auch durch eine weitere Optimierung bei deren Herstellprozess gehoben werden kann.

Der Siegeszug von Kunststoffen im Automobilbau auf der genannten Basis könnte allerdings auch von anderer Seite gebremst werden. Denn auch andere Branchen haben so ihre Begehrlichkeiten: Außer der allseits bekannten Flugzeugindustrie als CFK-Verbraucher seien die Branchen Bau und Elektro/Elektronik genannt, die in CFK Zukunftspotenzial sehen. Es besteht also durchaus ein Wettbewerb um CFK. In einem Marktbericht kam die „AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe“ (Mitglieder sind unter anderem diverse Fraunhofer-Organisationen, Institute, Hochschulen, Autohersteller wie BMW oder Daimler, aber eben auch BASF und ThyssenKrupp) vielleicht auch darum zu der Erkenntnis, sich im Automobilbau nicht nur auf CFK zu konzentrieren, sondern alle Faserverbundwerkstoffe im Blick zu behalten.

GFK, FKV, Polyurethane – oder kommt da sonst noch was?

Ein komplexes Gebilde entsteht, der mechanische Ausfall des Rades muss ebenso ausgeschlossen werden können wie die interagierende Funktion des elektrisch betriebenen Rades

Es geht möglicherweise zukünftig nicht nur um CFK, sondern auch um GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff), von dem europaweit im vergangenen Jahr gut eine Million Tonnen hergestellt worden sind. Allerdings erscheint es aktuell recht gewagt, da Potenziale für den Räderbau ausmachen zu wollen, auch wenn es räderseitig mit Glasfasern vor rund zwei Jahrzehnten schon einmal bei der dann allerdings gescheiterten BTE Felgentechnik GmbH in Schleswig-Holstein einen Anlauf gab. Auch Faser-Kunststoff-Verbunde sind insgesamt mit dem Argument, dass zu wenig davon zur Verfügung stehen dürfte, kritisch zu sehen (auch wenn der Kastentext weiter vorne eine Tür in die Zukunft aufgestoßen haben mag). Durchaus denkbar, dass Hybride bestehend aus verschiedenen Kunststoffen und/oder aus einem Kunststoff in Verbindung mit Metall(en) ein Ansatz ist, der nach unserem Kenntnisstand jedenfalls bei wenigstens einem der bereits genannten Räderhersteller in der Entwicklung ganz oben auf den Agenda steht.

Polyurethane (PUR) könnten aufgrund der enormen Fortschritte in der Chemieindustrie inzwischen um so mehr das Potenzial bieten, das ihnen die Repräsentanten der traditionellen Räderanbieter aus dem Stahl- und Aluminiumbereich bisher genüsslich abgesprochen haben und in abschätzigen Diffamierungen wie „Plastikräder“ mündete. Denn für Polyurethane erscheinen völlig neue Möglichkeiten für eine wirtschaftliche Großserienfertigung am Horizont. Die Firma SGL Carbon hat darüber hinaus einen carbonfaserverstärkten Graphitwerkstoff präsentiert, der umgehend die Phantasie anregt und interessante Perspektiven für die Automobilindustrie aufzeichnet: Dabei handelt es sich um einen hochfesten Verbundwerkstoff, der aus einer Graphitmatrix und CFK besteht. Dieser Werkstoff, heißt es, weise eine um 20 Prozent höhere Steifigkeit auf und lasse sich zu filigraneren Strukturen verarbeiten als andere marktgängige CF-Materialien, wodurch er besonders für technisch anspruchsvolle Hochtemperaturanwendungen geeignet erscheinen mag. Womit nur verdeutlicht wird: Wir haben es hier einerseits mit hochmodernen faszinierenden Materialien zu tun, von denen wir andererseits bislang lediglich einen ganz kleinen Teil dessen sehen können, was sie einst können werden. detlef.vogt@reifenpresse.de