Bestandsaufnahme Leichtbau in Deutschland

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Bestandsaufnahme Leichtbau in Deutschland
Kurzstudie
Projekt I C 4 - 10/15
Im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie
Auftragnehmer
VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH
Projektleiter: Dr. Martin Vogt
Bertolt-Brecht-Platz 3
10117 Berlin
Im Unterauftrag:
VDI Technologiezentrum GmbH
Bearbeiter: Dr. Norbert Malanowski, Dr. Raimund Glitz, Dr. Silke Stahl-Rolf
VDI-Platz 1
40468 Düsseldorf
Berlin, 19.05.2015
1
Inhaltsverzeichnis
1
EINFÜHRUNG – DAS THEMENFELD LEICHTBAU IM INDUSTRIEPOLITISCHEN KONTEXT ..... 4
1.1 Zum Hintergrund des Themenfeldes................................................................. 4
1.2 Industrie- und innovationspolitischer Rahmen ................................................. 4
1.3 Ziele der Bestandsaufnahme und Projektdesign ............................................... 5
2
BESTANDSAUFNAHME:
LEICHTBAU-WERKSTOFFE
UND
-TECHNOLOGIEN,
ANWENDUNGSBRANCHEN,
RESSOURCENEFFIZIENZ,
BESCHÄFTIGUNGSEFFEKTE,
QUALIFIZIERUNGSANFORDERUNGEN UND FÖRDERPROGRAMME .............................. 6
2.1 Leichtbau-Werkstoffe und -Technologien ......................................................... 6
2.1.1
Leichtmetalle ........................................................................................................ 7
2.1.2
Hoch-/höchstfeste Stähle ..................................................................................... 7
2.1.3
Metallschäume ..................................................................................................... 8
2.1.4
Faserverstärkte Kunststoffe ................................................................................. 9
2.1.5
Keramische Leichtbauwerkstoffe ....................................................................... 10
2.1.6
Naturfaserverstärkte Kunststoffe (Biokomposite) ............................................. 10
2.1.7
Holz ..................................................................................................................... 10
2.1.8
Technische Textilien, Textilbeton ....................................................................... 11
2.1.9
Adaptiver Leichtbau, Funktionsintegration und Konzept-Leichtbau ................ 11
2.2 Anwendungsbranchen von Leichtbaulösungen ............................................... 12
2.2.1
Automobil- und Flugzeugbau ............................................................................. 12
2.2.2
Maschinen- und Anlagenbau ............................................................................. 15
2.2.3
Bauindustrie ....................................................................................................... 16
2.3 Ressourceneffizienz und Leichtbau ................................................................. 17
2.4 Beschäftigungseffekte und Qualifizierungsanforderungen .............................. 19
2.5 Fördermöglichkeiten des Bundes und der Länder zum Thema Leichtbau ......... 20
2.6 Leichtbauprojekte im Förderkatalog der Bundesregierung.............................. 21
3
STAKEHOLDERANALYSE FÜR DEN BEREICH LEICHTBAU ...........................................22
3.1 Cluster und Netzwerke................................................................................... 23
3.2 Verbände, Gewerkschaften und andere Intermediäre .................................... 24
3.3 Hochschulen und Institute ............................................................................. 24
3.4 Unternehmen ................................................................................................ 25
2
4
LEITFRAGEN
-THEMEN FÜR EINEN MÖGLICHEN ZUKÜNFTIGEN INDUSTRIEPOLITISCHEN DIALOG ZUM THEMENFELD LEICHTBAU ........................................27
UND
4.1 Identifizierte Ziele eines industriepolitischen Dialogs Leichtbau...................... 27
4.2 Identifizierte und benannte Akteure für einen industriepolitischen Dialog
Leichtbau ....................................................................................................... 28
4.3 Identifizierte Leitfragen und -themen eines industriepolitischen Dialogs
Leichtbau ....................................................................................................... 28
5
FAZIT UND HANDLUNGSOPTIONEN ..................................................................29
6
LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS ............................................................33
7
TECHNISCHE ABKÜRZUNGEN ..........................................................................39
8
ANHANG: WORKSHOP LEICHTBAU IN DEUTSCHLAND ...........................................40
3
1
Einführung – Das Themenfeld Leichtbau im industriepolitischen
Kontext
1.1 Zum Hintergrund des Themenfeldes
Leichtbau ist eine Konstruktionsphilosophie, die zum Ziel hat, bei gleichbleibender Funktionalität
eines Produkts Gewicht einzusparen. Dieses Ziel kann durch die Verminderung des Werkstoffeinsatzes, den Einsatz leichterer Werkstoffe unter Beibehaltung der für das Produkt relevanten Materialeigenschaften oder die Veränderung der Produktstruktur erreicht werden.
Leichtbau hat mehrere Ziele. Es sollen Rohstoffe und Kosten bei Herstellung und Nutzung eines Produkts reduziert und dabei über den gesamten Lebenszyklus der CO2-Ausstoß verringert werden. Materialkosten sind beispielsweise im verarbeitenden Gewerbe mit über 40 Prozent der größte Kostenfaktor im produzierenden Gewerbe. Leichtere Strukturen und verstärkte Integration der Funktionen
einzelner Bauteile und Bauteilgruppen ermöglichen es, Rohstoffe einzusparen sowie das Gewicht und
damit den Energieverbrauch zu reduzieren.
Die Mehrzahl der Produktinnovationen zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit gründet sich auf neuen bzw. verbesserten Werkstoffen und den damit verbundenen Konstruktionsmethoden, Herstellund Bearbeitungsverfahren. Damit verbunden sind die verstärkte Umsetzung von Prozessinnovationen in der Produktkonzeption und -entwicklung über die Produktionstechnik bis zum Recycling sowie
ganzheitlich optimierte Leichtbaukonzepte.
Die Entwicklung und Nutzung innovativer Leichtbaulösungen ist eine wichtige Voraussetzung für die
Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie. Für viele Branchen, wie z. B. Automobilbau und
Transport, Maschinenbau und Produktionstechnik sowie Bauindustrie, hat Leichtbau eine große Bedeutung. Von ihm hängt entscheidend ab, ob es der deutschen Industrie auch in Zukunft gelingen
wird, sich auf dem Weltmarkt mit innovativen, energie- und ressourceneffizienten Produkten als
Leitanbieter zu etablieren.
Vor dem Hintergrund, dass Deutschland in der Produktion und bei Produktionstechniken innovativer
Werkstoffe weltweit führend ist, ist Leichtbau ein zentrales industriepolitisches Thema. Die durch
Werkstoffinnovationen ausgelösten Veränderungen bei Produkten, Fertigungsprozessen und neuen
Anforderungen bei der Rohstoffbeschaffung und beim Recycling sind mit neuen Herausforderungen
für die Ressourceneffizienz der Produkte, die Arbeitswelt in den Unternehmen und den Qualifizierungsanforderungen in der akademischen und beruflichen Ausbildung verbunden. Ziel dieser Kurzstudie ist es, einen Überblick über die wichtigsten Innovationstrends zu geben und daraus Handlungsoptionen und Schwerpunkte eines industriepolitischen Dialogs zum Thema Leichtbau abzuleiten.
1.2 Industrie- und innovationspolitischer Rahmen
Das Themenfeld Leichtbau ist in den industriepolitischen Rahmen des Koalitionsvertrags zwischen
CDU, CSU und SPD und der neuen Hightech-Strategie der Bundesregierung eingebettet. Es wird angestrebt, das große Potenzial des Leichtbaus für den gesamten Standort Deutschland nutzbar zu machen. Laut Koalitionsvertrag ist Leichtbau neben Industrie 4.0 und Elektromobilität als
Querschnittsbereich für eine strategische Innovationspolitik von besonderer Bedeutung: „Die Förderung von Leichtbautechnologien ist ein wichtiger Beitrag zur Ressourceneffizienz. Wir wollen
Deutschland zum Leitanbieter in diesem Sektor entwickeln. Wir werden deshalb branchenübergreifend die material- und technologieoffene Industrialisierung von Leichtbaukonzepten weiter fördern
und ausbauen“. 1 In der neuen Hightech-Strategie der Bundesregierung wird betont: „Die Elektromobilität (…) ist (…) ein Wachstumsmarkt von hoher industriepolitischer Bedeutung. (…) Ein wichtiger
1
Koalitionsvertrag zwischen CDU, CSU und SPD (2013), S. 19
4
Aspekt dabei ist die konsequente Weiterentwicklung und Anwendung des Leichtbaus bei neuen
Fahrzeugen.“ 2
Leichtbau ist damit Bestandteil einer „modernen Industriepolitik“, wie sie das Bundesministerium für
Wirtschaft und Energie (BMWi) verfolgt. Aus dieser Perspektive „muss es darum gehen, angemessene und eine dynamische Entwicklung ermöglichende Rahmenbedingungen zu schaffen und diese
laufend zu überprüfen. Für die heimischen Betriebe und ihre Beschäftigten gilt es, faire Wettbewerbsbedingungen auf den internationalen Märkten einzufordern. Darüber hinaus soll eine strategische Innovationspolitik zukunftsweisende Impulse setzen. Die Förderung von Innovationsprozessen
soll alle für Deutschland relevanten Leitmärkte und Schlüsseltechnologien in den Blick nehmen.“ 3
Relevante Leitmärkte sind danach u. a. die Werkstofftechnologie, der Maschinen- und Anlagenbau
und der Bereich Mobilität und Logistik.
1.3 Ziele der Bestandsaufnahme und Projektdesign
Zielsetzung des Berichtes ist eine Bestandsaufnahme zum technologischen Stand und den wesentlichen Akteuren im Bereich Leichtbau in Form einer übersichtsartigen Darstellung. Darüber hinaus ist
es ein weiteres Ziel, auf Basis dieser Bestandaufnahme Leitthemen bzw. Leitfragen für einen möglichen systematischen industriepolitischen Dialog im Themenfeld Leichtbau zu formulieren.
Zur Bestandsaufnahme gehören im Einzelnen folgende Arbeiten:
•
Identifizieren und Analysieren der wesentlichen Werkstoffe, Technologien und Trends, Darstellen von vorhandenen Initiativen, Programmen und Projekten im Bereich Leichtbau, Darstellen
der artikulierten Qualifizierungsanforderungen im Vergleich mit heutigen Angeboten an Hochschulen und Weiterbildungseinrichtungen, Abschätzen eines Trends und der möglichen Auswirkungen auf die Produktion (Kapitel 2)
•
Identifizieren und Mapping relevanter Stakeholder inklusive einer ersten Gewichtung regionaler Aktivitäten (Kapitel 3)
•
Erörtern von Leitthemen/Leitfragen für einen möglichen industriepolitischen Dialog (Kapitel 4)
Dabei wurden in einem ersten Schritt drei aktuelle publizierte Übersichtsstudien ausgewertet. Diese
Studien waren:
•
VDI-Studie „Werkstoffinnovationen für nachhaltige Mobilität und Energieversorgung“ von
2014, VDI-Gesellschaft Materials Engineering 4
•
Studie im Auftrag der Leichtbau BW von 2014: „Leichtbau – Trends und Zukunftsmärkte und
deren Bedeutung für Baden-Württemberg“, Koordination durch Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI. 5
•
Studie der e-mobil BW – Landesagentur für Elektromobilität und Brennstoffzellentechnologie
von 2012: „Leichtbau in Mobilität und Fertigung: Chancen für Baden-Württemberg“. 6
Ferner wurden in einem zweiten Schritt thematisch fokussierte Publikationen mit für die vorliegende
Bestandsaufnahme relevanten Einzelaspekten durch Internetrecherchen ermittelt und ausgewertet.
Darüber hinaus erfolgte eine Recherche im Förderkatalog der Bundesregierung unter dem Stichwort
„Leichtbau“ (Stand März 2015) und eine Recherche zu den Fördermöglichkeiten des Bundes und der
Länder zum Thema Leichtbau, erstellt von der Förderberatung „Forschung und Innovation“ des Bundes.
2
3
4
5
6
Bundesregierung (2014), S. 27
BMWi (2015)
VDI (2014a)
Leichtbau BW (2014a)
e-mobil BW (2012a)
5
In einem weiteren Arbeitsschritt wurden die Ergebnisse, resultierend aus Arbeitsschritt 1 und 2, im
Rahmen eines Stakeholderworkshops (siehe Anhang I), der im März 2015 in Berlin stattfand, vorgestellt, mit den Teilnehmerinnen und Teilnehmern diskutiert und im Nachgang zur Veranstaltung konsolidiert. Darüber hinaus wurden Leitthemen und Leitfragen für einen möglichen industriepolitischen
Dialog zum Themenfeld Leichtbau gemeinsam mit den Expertinnen und Experten identifiziert. Diese
wurden auf der Basis einer Vorrecherche ausgewählt. Zur Vorbereitung auf den Workshop erhielten
sie eine kurze Projektinformation. An dieser Stelle sei allen Teilnehmerinnen und Teilnehmern des
Stakeholderworkshops für ihre sehr engagierte Mitarbeit sehr herzlich gedankt. Einen zusätzlichen
Dank möchten wir zudem für Herrn Dr. Wolfgang Seeliger, Leichtbau BW GmbH, Leichtbau-Agentur
des Landes Baden-Württemberg, aussprechen, der die Entstehung dieser Kurzstudie sehr konstruktiv
begleitet hat.
2
Bestandsaufnahme: Leichtbau-Werkstoffe und -Technologien,
Anwendungsbranchen, Ressourceneffizienz, Beschäftigungseffekte, Qualifizierungsanforderungen und Förderprogramme
2.1 Leichtbau-Werkstoffe und -Technologien
Die Studie zu Werkstoffinnovationen der VDI-Gesellschaft Materials Engineering (VDI, 2014) diskutiert acht Materialklassen für Leichtbau mit mittlerem und hohem Innovationspotenzial und unterschiedlicher Reife für Anwendungen in den betrachteten Branchen (siehe Tabelle 1).
Materialklassen
Innovationspotenzial
Reife
Kritische Erfolgsfaktoren
Aluminium/Legierungen
Mittel
Hoch
•
•
•
Materialkosten
•
•
Blechherstellung
Verbindungstechnik
Umformbarkeit
Magnesium/Legierungen
Mittel
Hoch-/höchstfeste
Stähle
Hoch
Hoch
•
Festigkeit, Duktilität, Korrosionsbeständigkeit
Metallschäume
Mittel
Gering
•
•
Skalierbare Fertigungsfahren,
•
•
Strukturintegrität,
•
Design
•
•
Numerische Methoden
•
•
Kosten, Qualität
•
Großtechnische
schaften
Faserverstärkte
Kunststoffe
Biopolymere
Naturfaserverstärkte Kunststoffe
Hoch
Mittel
Hoch
Mittel
Gering
Gering
Gering
6
Korrosions- und Kriechbeständigkeit
Verbindungstechnik
Skalierbarkeit und Kosten der Produktion
Recyclingfähigkeit
Ökobilanz
Produktion,
Eigen-
Materialklassen
Innovationspotenzial
Reife
Kritische Erfolgsfaktoren
Holz
Mittel
Mittel
•
Anwendbarkeit in der Transport- und
Maschinenbaubranche
Tabelle 1: Zusammenfassende Bewertung des Innovationspotenzials und der Reife sowie kritischer
Erfolgsfaktoren der verschiedenen für den Leichtbau wichtigen Materialklassen 7
Diese Materialklassen werden im Folgenden übersichtsartig beschrieben.
2.1.1 Leichtmetalle
Im Leichtbau kommen vorrangig die drei Leichtmetalle Aluminium, Titan und Magnesium zum Einsatz. Eine sehr detaillierte Übersicht über Leichtbauanwendungen und -potenziale von Aluminium,
Magnesium und Titan findet man beispielsweise auf einer „Wiki-Seite“ der Universität Siegen. 8 Eine
sehr gute Quelle für die Herkunft und Angebotskonzentration der den Leichtmetallen zugrunde liegenden Rohstoffe ist die DERA-Rohstoffliste. 9
Aluminium ist ein klassischer Leichtbauwerkstoff mit äußerst geringer Dichte (2,7 g/cm3), relativ hoher Steifigkeit und Festigkeit sowie sehr guten Umformeigenschaften und einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit. Fertigungstechnische Verfahren zur Aluminiumverarbeitung sind das Gießen,
das Strangpressen und das Schweißen. Aluminiumbauteile werden beim Auto vor allem im Antriebsstrang und im Karosseriebereich eingesetzt. Im Automobilbau geht die Entwicklung in Richtung hochfester und dennoch duktiler und damit crashfähiger Legierungen. Neben der Automobilindustrie
besteht auch im Flugzeugbau noch erheblicher Weiterentwicklungsbedarf, um das Leichtbaupotenzial von Metallen auszunutzen. In der Luftfahrt werden neue leichte und umformbare AluminiumLegierungen entwickelt bzw. befinden sich schon im Einsatz. Ansätze bieten das Strukturdesign mit
der parallelen Entwicklung der Werkstoffe sowie der Verfahren für die Fertigung und (zerstörungsfreie) Prüfung. Der wichtigste Rohstoff für die Produktion von Primäraluminium ist Bauxit (BayerVerfahren).
Magnesium ist mit einer Dichte von 1,74 g/cm3 noch leichter als Aluminium. Allerdings ist Magnesium nicht kriechbeständig und weist Korrosionsprobleme auf. Aufgrund dieser Eigenschaften wird es
im Fahrzeugbau fast ausschließlich als Legierung verwendet. Magnesium wird im Automobilbau vor
allem im Karosseriebau und im Antriebsbereich verwendet. Es tritt als Mineral vor allem in Sulfaten,
Carbonaten und Chloriden auf und wird überwiegend durch Schmelzflusselektrolyse gewonnen.
Titan ist mit einer Dichte von 4,5 g/cm3 ebenfalls sehr leicht und durch sehr hohe Festigkeitswerte
gekennzeichnet. Allerdings ist es aufgrund seines vergleichsweise aufwendigen Herstellungsprozesses vergleichsweise teuer und unterliegt stark schwankenden Marktpreisen. Es kommt im Automobilbau vor allem im Antriebs- und Fahrbereich zum Einsatz. Wegen seiner hohen Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit wird es auch in der Luft- und Raumfahrt, insbesondere bei Triebwerken, eingesetzt. Titan wird mittels des Kroll-Prozesses aus Ilmenit (Titaneisenerz) oder Rutil (Titandioxid) gewonnen.
Wie im Stahlbereich können Bleche aus Leichtmetallen mit verschiedenen Dicken und Werkstoffeigenschaften per Laserschweißen zu maßgeschneiderten Halbzeugen verbunden werden.
2.1.2 Hoch-/höchstfeste Stähle
Stähle werden von allen metallischen Werkstoffen am meisten verwendet. Sie bestehen zum größten
Teil aus Eisen sowie weiteren Metallen, Kohlenstoff und anderen Nichtmetallen. Durch die unter7
8
9
VDI (2014a), S. 25 ff.
Bayer (2011)
DERA (2014), S. 112
7
schiedlichen Zusammensetzungen (Legierungen) kann eine enorme Breite von Werkstoffeigenschaften realisiert werden. Die Dichte von Stahl ist aufgrund des hohen Eisenanteils deutlich höher als bei
Leichtmetallen (die Dichte von Eisen beträgt 7,87 g/cm3).
Durch die Kombination von Legierungselementen und Nachbehandlungsmethoden können die verschiedensten hochfesten Stahlsorten mit unterschiedlichsten Anwendungen erzeugt werden. 10 Bis
heute wurden ca. 2500 Stahlsorten mit den unterschiedlichsten Materialeigenschaften entwickelt. 11
ThyssenKrupp erreicht beispielsweise hohe Festigkeit und gute Umformbarkeit unter anderem mit
speziellen Legierungselementen und gezielter Wärmebehandlung. „Die Ergebnisse sind zum Beispiel
biegsame Dualphasenstähle, die ihre endgültige Festigkeit erst in der Umformung zu einem Autoteil
erreichen. Oder Bake-Hardening-Stähle, die erst in der Hitze beim Lackieren richtig fest werden.“ 12
Ein weiteres Beispiel ist der im Salzgitter-Konzern entwickelte HSD-Stahl. 13
Stahl ist immer noch der wichtigste Werkstoff im Karosserie-Rohbau von Fahrzeugen. „Das übergeordnete Ziel dabei ist, Stähle mit höherer Festigkeit und gleichzeitig guten Umformeigenschaften zu
entwickeln.“ 14 Dadurch können bei gleicher oder verbesserter Funktionalität (beispielsweise bzgl. der
Crasheigenschaften) Gewichtseinsparungen erreicht werden.
Im Baubereich ist Stahl ebenfalls ein wichtiger Werkstoff für den Leichtbau. So kommt dieser beispielsweise im Wohnungsbau als Ständerbauweise für leichte Trennwände oder im Gewerbebau als
innovatives Leichtbausystem für die Gebäudehülle zum Einsatz. 15
2.1.3 Metallschäume
Metallschäume sind aufgeschäumte metallische Werkstoffe, die aufgrund ihrer Poren und Hohlräume eine geringe Dichte aufweisen, gleichzeitig aber eine hohe Festigkeit besitzen. Man unterscheidet
zwischen offenporigen und geschlossenporigen Metallschäumen.
Zu den Anwendungsmöglichkeiten schreibt die VDI-Studie: „Insbesondere geschlossenporige Aluminiumschäume eignen sich als Leichtbauwerkstoff mit hoher Steifigkeit und Druckfestigkeit und einer
Gewichtseinsparung von bis zu 95 % gegenüber herkömmlichen Materialien. Die innere Struktur erlaubt zudem eine hervorragende Absorption der kinetischen Energie bei Vibrationen oder einem
Crash. Diese Eigenschaft bieten auch offenporige Aluminiumschäume, wenn sie geeignet beschichtet
werden“. 16
Metallschaum ist laut Definition des Fraunhofer Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) „ein hochporöser Werkstoff, der gleich den Vorbildern in der Natur – zum Beispiel Holz und
Knochen – sehr leicht ist. Aufgrund der zellularen Struktur absorbieren die Metallschäume hervorragend Energie in Form von Schwingungen, Stoß und Schall. Gegenüber Kunststoffschäumen sind die
Metallschäume in der Regel deutlich stabiler und temperaturbeständiger.“ 17 Stand der Technik sind
laut Fraunhofer IWU Aluminiumschäume mit einer Dichte kleiner als 0,5 g /cm3.
Allerdings gibt es einige Faktoren, die den Einsatz von Schäumen verzögern. Durch die inhomogene
Verteilung der Poren in den Schäumen können die mechanischen Eigenschaften des Bauteils an verschiedenen Stellen sehr unterschiedlich sein. Weiterhin ist die Anbindung an andere Strukturen (z. B.
durch Löten oder Kleben) eine Herausforderung. Schäume sind beispielsweise nicht schweißbar.
10
11
12
13
14
15
16
17
Zarenga GmbH (2011)
Wirtschaftsvereinigung Stahl (2015a)
ThyssenKrupp AG (2015)
Salzgitter Flachstahl GmbH (2014)
VDI (2014a), S. 37
Siehe z. B. Wirtschaftsvereinigung Stahl (2015b)
VDI (2014a), S. 49 ff.
Fraunhofer IWU (2015)
8
2.1.4 Faserverstärkte Kunststoffe
Ein großes Potenzial für die weitere Gewichtsreduzierung besteht im Prinzip durch den Einsatz faserverstärkter Kunststoffe (FVK). Diese bestehen aus zwei Hauptkomponenten: einer verstärkenden
Faser, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet ist. Von hoher Bedeutung sind hierbei glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Als Matrixmaterialien
werden Duroplaste (z. B. Epoxidharz) und Thermoplaste (z. B. Polyamid) verwendet. Die Kohlenstofffasern bei CFK werden überwiegend aus dem erdölbasierten Polyacrylnitril (PAN) hergestellt.
FVK sind etwa 40 % leichter als Aluminium und bis zu 80 % leichter als Stahl. Dabei besteht ein weiterer großer Vorteil in der Möglichkeit, die Orientierung der Fasern im Hinblick auf Zug- oder Druckfestigkeitsanforderungen von Bauteilen zu optimieren. Eine zunehmend breitere Anwendungsbranche
ist der Fahrzeugbau. 18
Gemäß dem jährlich herausgegebenen Marktbericht, gemeinsam herausgegeben von AVKIndustrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V. und Carbon Composites e. V., wuchs die europäische Herstellmenge glasfaserverstärkter Kunststoffen im Jahr 2014 um mehr als 2 %. 19 Demnach sind
GFK das mit Abstand größtes Segment der Faserverbundkunststoffe mit Hauptanwendungen in den
Bereichen Transport und Bau. Der globale CFK-Markt betrug laut des Marktberichts 2013 etwa 72
Tsd. t und ist um etwa 9 % gegenüber dem Vorjahr gewachsen. Die Wachstumsrate bis 2020 wird mit
etwa 10 % pro Jahr geschätzt. 20 Allerdings ist trotz des hohen Wachstums die Marktgröße bis auf
weiteres als eher klein einzustufen, was den hohen Kosten und der möglicherweise eingeschränkten
Skalierbarkeit von CFK-Lösungen geschuldet ist.
Komplexe Bauteile aus FVK lassen sich, bedingt durch den hohen Zeitaufwand für die erforderlichen
manuellen Zwischenschritte, bisher noch nicht in Großserie produzieren. Die CFK-Technologie in Serienfahrzeuge zu bringen, ist eine Aufgabe für die Zusammenarbeit von OEM und Zulieferern. Deshalb haben große Automobilhersteller mit Herstellern von CFK-Materialien Allianzen gebildet. So hat
etwa BMW für die Produktion der Modelle i3 und i8 ein Joint Venture mit SGL Carbon gegründet.
Eine weitere Herausforderung für die Forschung und Entwicklung ist der hohe Energiebedarf bei der
Herstellung der Kohlenstofffaser sowie die Wiederverwertung von CFK (siehe dazu auch das Kapitel
zum Thema Ressourceneffizienz und Leichtbau).
In Deutschland wird beispielsweise durch das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung
(BMBF) und dem bayerischen Wirtschaftsministerium geförderte Spitzencluster MAI Carbon die flächendeckende Einführung und Etablierung von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen, insbesondere CFK, im Transportsektor und Maschinenbau vorangetrieben. 21 Der Ersatz manueller Zwischenschritte durch automatisierte Produktionstechnik bietet nicht nur Chancen zur Lösung des Kostenproblems, sondern birgt auch hohe Potentiale für Maschinenzulieferer. Wichtige Forschungszentren
für die Entwicklung kostengünstiger und automatisierter Fertigungstechnologien für CFK-Strukturen
sind beispielsweise das neu gegründete Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologien (ZLP) des
Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Standorten in Augsburg und Stade, 22 der Forschungscampus Arena2036 23 oder der Forschungscampus Open Hybrid LabFactory der TU Braunschweig. 24
18
19
20
21
22
23
24
VDI (2014a), S. 50ff.
AVK und CCeV (2014), S. 31 ff.
MAI Carbon Cluster Management GmbH (2015)
DLR ZLP (2015)
ARENA2036 (2015)
Open Hybrid LabFactory (2015)
9
2.1.5 Keramische Leichtbauwerkstoffe
Keramische Faserverbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composites – CMC) bestehen aus einer Matrix
aus normaler Keramik und verschiedenen Fasertypen. Im Moment werden vor allem Kohlenstoffund Siliziumcarbidfaser, im geringeren Umfang auch Aluminium- (Al2O3) und Siliziumoxid (SiO2) eingesetzt. Als Matrixmaterial werden Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Kohlenstoff (C) oder Siliziumcarbid
(SiC) verwendet.
Üblicherweise werden CMC in der Notation „Fasertyp/Matrixtyp“ abgekürzt. Es wird zwischen oxidischen CMC (oxid. Faser in oxid. Matrix, z. B. Al2O3/Al2O3) und nichtoxidischen CMC (wie C/C-SiC, SiCSiC) unterschieden.
Keramische Werkstoffe zeichnen sich u. a. durch richtungsabhängige Materialeigenschaften und große Hitzebeständigkeit aus. Aufgrund der relativ hohen Herstellungskosten werden Leichtbaulösungen
mit keramischen Verbundmaterialien zunächst auf spezifische Einsatzfelder beschränkt bleiben. 25
Deutschland ist im Bereich Forschung und industrielle Anwendung von keramischen Verbundwerkstoffen gut aufgestellt. 26 Beispiele für erste kommerziell verfügbare Produkte sind Leichtbaubremsen
für Fahrzeuge (Bremsbeläge und Bremsscheiben aus C/C-SiC) und Rotorbremsen für Propellerflugzeuge.
Brennkammern für Gasturbinen aus oxidischem CMC lassen höhere Brennkammertemperaturen zu,
woraus ein höherer Wirkungsgrad und eine Reduktion der Emissionen resultieren. Bei Raketenantrieben erzielen CMC für Brennkammer und Expansionsdüse eine Gewichtsersparnis von 50% und
ebenfalls eine höhere Temperaturbeständigkeit. Leichte hochsteife und ausdehnungsarme Satellitenbauteile und Wärmetauscher können auch durch Formpressen von Holzpellets und Harz, Aushärten, Pyrolyse, Silizierung und Konvertierung in SiC-Keramik hergestellt werden.
2.1.6 Naturfaserverstärkte Kunststoffe (Biokomposite)
Im Automobilbau sind Kunststoffe, die durch Naturfasern etwa aus Hanf, Flachs, Baumwolle mechanisch verstärkt werden, vor allem für Innenraumanwendungen bereits etabliert, weil sie wirtschaftlich konkurrenzfähig sind. 27 Vorteile naturfaserverstärkter Kunststoffe (NFK), sind außerdem eine
geringe Neigung zum Splittern beim Crash und die Schalldämmung. Verschiedene Forschungsinstitute arbeiten auch daran, Carbonfasern auf der Basis von Lignin – einem Naturstoff, der bei der Zellstoffherstellung anfällt – zu entwickeln, um nachwachsende Rohstoffe für den CFK-Leichtbau nutzbar
zu machen. 28
Eine umfassende Studie zu allen Aspekten der Gewinnung, Herstellung, Verarbeitung Anwendung
und dem Marktvolumen von NFK wurde 2008 von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe herausgegeben. 29
Die stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe in Form von Biopolymeren und naturfaserverstärkten Kunststoffen bietet gute Möglichkeiten, die Abhängigkeit vom Erdöl zu reduzieren und stattdessen nachwachsende Ressourcen zu nutzen. Allerdings sollte dabei der Anbau mit Flächenbedarf,
Pflanzenschutz- und Düngemitteleinsatz mit in die Betrachtung der Ökobilanz einbezogen werden
(siehe auch Kapitel zum Thema Ressourceneffizienz und Leichtbau).
2.1.7 Holz
Holzverbundmaterialien werden als Leichtbaumaterial in der maritimen Wirtschaft verwendet. Diese
Holzverbundmaterialien bedingen auch Produktinnovationen, etwa bei Beschlägen und in der Pro-
25
26
27
28
29
VDI (2014a), S. 71 ff.
Eine Reihe von Beispielen findet man in VDI (2014a), S. 74
VDI (2014a), S. 149 ff.
Siehe z. B. Quitter (2014)
Carus/ Mussig/ Gahle (2008)
10
duktionstechnik. Der Einsatz von Holz ist im Fahrzeug ebenfalls möglich. Allerdings lässt die erste
Serienanwendung eines Holz-Strukturteils im Automobil noch auf sich warten.
Im Rahmen des BMBF-Forschungsprojekts „Hammer – Holzformteile als Multi-Materialsysteme für
den Einsatz im Fahrzeug-Rohbau “, das noch bis Mai 2015 läuft, wird „der Einsatz von Holzformteilen
als alternatives, innovatives und nachhaltiges Multimaterialsystem (MMS) für ressourceneffiziente
und nachhaltige Leichtbaukomponenten von Fahrzeugstrukturen“ untersucht. 30 Als Motivation wird
in der Projektbeschreibung auf der Webseite angegeben, dass überall dort, wo über den strukturellen Einsatz von FVK nachgedacht wird, prinzipiell auch holzbasierte Multimaterialsysteme eingesetzt
werden können. Im Gegensatz zu FVK sei die großindustrielle Fertigung von Holzformteilen allerdings
schon etabliert. Darüber hinaus haben Holzformteile „eine herausragende Nachhaltigkeit bei gleichen oder sogar besseren Eigenschaften im Vergleich zu FVK“. Partner des Projekts sind die Fritz Becker KG, das Fraunhofer-Institut für Holzforschung WKI, die sachs engineering GmbH, die Universität
Kassel und VW.
2.1.8 Technische Textilien, Textilbeton
Als Technische Textilien werden Gewebe, Gewirke, Vliesstoffe und daraus gefertigte Fertigerzeugnisse bezeichnet, die technisch-funktionelle Eigenschaften besitzen. Das DFG-geförderte Kompetenzzentrum Textilbeton Aachen definiert Textilbeton als „einen zementgebundenen Verbundwerkstoff,
bei dem technische Textilien aus Glas- oder Carbonfasern als Bewehrungsmaterial eingesetzt werden.“ 31 Dadurch können geringere Bauteildicken verwendet werden als bei der Nutzung herkömmlicher Materialien. Bisher wird textilbewehrter Beton beispielswese bei Dach- und Fassadenplatten
eingesetzt. Potenzielle Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise filigrane Tragwerkskonstruktionen. 32
Weitere Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich des textilverstärkten Leichtbaus, beispielsweise im Fahrzeugbau, wurden bzw. werden z. B. im Rahmen eines AiF/DFG Clusters 33 und
durch die von der TU Chemnitz geführten Allianz Textiler Leichtbau durchgeführt. 34
2.1.9 Adaptiver Leichtbau, Funktionsintegration und Konzept-Leichtbau
Der adaptive Leichtbau hat das Ziel, Materialkosten dadurch einzusparen, dass Konstruktionswerkstoffe durch multifunktionale Werkstoffe ersetzt werden. An der TU Braunschweig beispielsweise
wird adaptiver Leichtbau für folgende Anwendungen behandelt: Aktuatoren, adaptive Fahrwerke,
formvariable Profile, Faltstrukturen, adaptives Rotorblatt.
Bei der Funktionsintegration, einem weiteren wichtigen Ansatz für Ressourcenschonung beim Materialeinsatz, werden mehrere Bauteile bzw. Bauteilfunktionen zu einem einzigen zusammengefasst.
Da nicht mehr mehrere Werkstoffe notwendig sind, um eine bestimmte Funktionalität zu erreichen,
wird das Gewicht reduziert. Am Fraunhofer ICT wurde 2009 eine „Projektgruppe Funktionsintegrierter Leichtbau“ gegründet und durch einen Neubau in Augsburg zu einem Institutsteil weiterentwickelt. 35 Weitere Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten gibt es beispielsweise am Fraunhofer LBF in
Darmstadt. 36
Konzept-Leichtbau stellt eine weitergehende, langfristige Technologieorientierung dar, bei dem
durch neue Konstruktionsprinzipien ganze Produktkonzepte hinterfragt werden. So arbeitet beispielsweise das DLR mit seinem Institut für Fahrzeugkonzepte an komplett „neu gedachten“ Auto-
30
31
32
33
34
35
36
HAMMER (2015)
RWTH Aachen (2015a)
RWTH Aachen (2015a)
AiF (2015)
ATL (2015)
Fraunhofer ICT FIL (2015)
Fraunhofer LBF (2015)
11
mobilachsen, die durch verbesserte Konzeption weniger Kräfte übertragen müssen und dadurch einen geringeren Materialeinsatz erforderlich machen. 37
2.2 Anwendungsbranchen von Leichtbaulösungen
Aktuelle Zahlen zum Anteil der Nutzer metallischer Leichtbaumaterialien und Verbundwerkstoffe im
verarbeitenden Gewerbe finden sich beispielsweise in einer im April 2015 veröffentlichten Studie der
Leichtbau BW GmbH zu Wertschöpfungspotenzialen im Leichtbau. 38 Dabei werden Daten einer Befragung des Fraunhofer ISI aus dem Jahr 2012 ausgewertet, an der mehr als 1500 Betriebe des verarbeitenden Gewerbes in Deutschland teilnahmen. Danach setzen 24 % der befragten Unternehmen
Verfahren zur Be- und Verarbeitung von Leichtbaumaterialien ein. Hierbei dominieren die metallischen Leichtbaumaterialien. Betrachtet man die Ergebnisse für einige ausgewählte Branchen, so ist
der höchste Anteil bei den metallischen Leichtbaumaterialien in den Branchen „Metallerzeugung und
Herstellung von Metallerzeugnissen“ (37 %) gefolgt vom Fahrzeugbau (33 %), dem Maschinenbau (31
%), der Elektroindustrie (20 %) und der chemischen Industrie (12 %). Bei der Be- und Verarbeitung
von Verbundwerkstoffen dominiert der Fahrzeugbau (33 %), gefolgt von der chemischen Industrie
(12 %), der Elektroindustrie (9 %) und dem Maschinenbau (8 %).
Interessant sind die Ergebnisse der Studie auch bzgl. der Betriebsgröße. So nutzen 35 % der großen
und 22 % der kleinen und mittleren Betriebe in Deutschland Leichtbaumaterialien. Die Diskrepanz
überrascht nach Angaben der Autoren der Studie nicht, da Großunternehmen aufgrund ihrer besseren Ressourcen im Bereich Entwicklung schneller neue Technologien adaptieren. Trotzdem ist der
Unterschied geringer als bei anderen Technologien. Daraus schlussfolgern die Autoren, dass KMU
ihre Aktivitäten im Bereich Leichtbau intensiviert haben, um entsprechende Marktchancen zu nutzen.
Im Folgenden werden kurz und schlaglichtartig Trends für den Automobilbau, den Flugzeugbau und
den Maschinen- und Anlagenbau dargestellt. Darüber hinaus wird auch die Bauindustrie kurz betrachtet. Weitere Branchen könnten z. B. im Rahmen möglicher zukünftiger industriepolitischer
Maßnahmen im Themenfeld Leichtbau Berücksichtigung finden.
2.2.1 Automobil- und Flugzeugbau
Zentrale Herausforderungen für den Automobilbau sind die durch die EU-Verordnung vorgeschriebene Reduktion von Treibhausgasemissionen 39, neue Sicherheitsanforderungen und die Elektromobilität. Handlungsfelder für den Leichtbau reichen von der Auswahl und Kombination der Werkstoffe
über die Auslegung der Bauteile bis hin zu systemischen Ansätzen beim Gesamtfahrzeug. Leichtbau
ist ein wichtiger Hebel zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs. Daher machen Automobilhersteller
ihren Entwicklern und Zulieferern quantitative Vorgaben für die kontinuierliche Gewichtsreduktion
der Komponenten. Diese führt zu einem permanenten Innovationsdruck entlang der Wertschöpfungskette. Deutlich wird dies bei der Betrachtung der Werkstoffzusammensetzung eines Pkws.
Leichtbauwerkstoffe verdrängen zunehmend konventionellen Stahl, der damit seine bislang dominierende Rolle verliert (siehe Abbildung 1).
37
38
39
Für weitere Leichtbau-Methoden siehe: Henning/ Moeller (2011), S. 62ff
Leichtbau BW (2014c)
BMUB (2014)
12
Abbildung 1: Materialzusammensetzung eines Pkw im zeitlichen Vergleich 40
Um diesen Trend im Automobilbau zu verdeutlichen, seien schlaglichtartig einige Beispiele genannt:
•
Auf der Hannover-Messe 2015 wurde auf dem Stand der Leichtbau BW der Rohbau des Sportwagens Mercedes-AMG GT präsentiert. Das Gewicht des Rohbaus besteht zu über 90 % aus
Aluminium. „Das Frontmodul Oberteil ist aus Magnesium gefertigt. Dieses extrem leichte Element am Bug reduziert die sogenannte Massenträgheit und verbessert somit die Agilität des
Fahrzeugs. Der Heckdeckel wiederum besteht aus Stahl, da ein von den Anforderungen her
vergleichbarer Aluminium-Heckdeckel deutlich schwerer geworden wäre.“ 41
•
In der Serienproduktion befinden sich bereits die Modelle i3 und i8 von BMW, deren Fahrgastzellen aus CFK bestehen. Die Produktion und Verarbeitung der Kohlenstofffaser erfolgt in einem Joint Venture von BMW und der SGL Group, der SGL Automotive Carbon Fibres (SGL ACF).
Die Faser wird in einer eigenen Fabrik der SGL ACF in Moses Lake produziert, die Produktionsenergie wird dort nach Angaben von BMW ausschließlich regenerativ aus Wasserkraft gewonnen. Der zweite Prozessschritt, die Verarbeitung der Faserbündel zu textilen Gelegen, erfolgt in
Wackersdorf. Die Herstellung der CFK-Komponenten findet dann in den BMW-Werken in
Landshut und Leipzig statt. Nach Angaben von BMW befinden sich beim i3 150 CFK-
40
Eigene Darstellung nach VDI (2014a), S. 33
41
13
Komponenten im Life-Module, der Fügeprozess erfolgt vollautomatisiert mittels Nutzung modernster Klebetechnik. 42
•
Bei VW dominiert im Karosseriebau aufgrund des Kostenvorteils weiterhin der Werkstoff Stahl
im Bereich der Kleinwagen und der Mittelklassefahrzeuge. Entwicklungsschwerpunkte sind
hier der Einsatz von hoch- und höchstfesten Stählen sowie der belastungsabhängige Einsatz
unterschiedlicher Stahlgüten, der beispielsweise durch warmumgeformte Bauteile mit lokal
angepassten Eigenschaften erreicht wird. Diese Vorgehensweise wird als Design-Leichtbau bezeichnet. 43
Der Trend in der Automobilindustrie zielt immer stärker auf die Umsetzung eines konsequenten
Materialmixes. Beispiel hierfür aus der vorwettbewerblichen Forschung sind das EU-Projekt
SuperLightCar oder das Förderprojekts Light-E-Body des BMBF. 44, 45
Im Flugzeugbau sind Aluminium, Titan und FVK die zentralen Leichtbaumaterialien. Das für die Luftund Raumfahrt insgesamt bis 2020 prognostizierte Marktwachstum beträgt für FVK etwa 15 % und ist
für Magnesium mit 30 % am höchsten. 46 Die Großraumflugzeuge von Airbus (A380) und Boeing (787
„Dreamliner“) verwenden bereits in einem erheblichen Anteil CFK in den Flugzeugstrukturen. Künftige Projekte (wie A350XWB) sollen aus über 50 % CFK bestehen. 47 Allerdings beschleunigen die Kostennachteile von FVK durch hohe Werkstoffpreise, die ungenügende Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften durch nicht optimiertes Design und eine noch nicht ausreichende Automation der Produktion die Entwicklung bei anderen Werkstoffen. Ein Beispiel ist die Entwicklung neuartiger Aluminiumlegierungen. 48
Für den Automobil- und Flugzeugbau kommen die Studien übereinstimmend zu folgenden zentralen
Feststellungen:
•
Leichtbau ist entsprechend veröffentlichten Marktstudien mit einer für 2020 erwarteten
weltweiten Marktgröße von rund 140 Mrd. EUR in der Transportbranche am stärksten etabliert. Haupttreiber ist der Automobilbau. Das Wachstum ist insbesondere bei Nutzfahrzeugen
hoch. Insgesamt wird von einem durchschnittlichen Wachstum von 7 - 8 % ausgegangen. 49
•
Metall-Leichtbau bleibt kurz- bis mittelfristig das größte Leichtbausegment in der Automobilbranche. 50 Wegen ihrer etablierten Produktionstechnologie und der guten Recyclingfähigkeit
ist die technologische Entwicklung metallischer Leichtbauwerkstoffe wie Aluminium und Magnesium, hoch- und höchstfester Stahlsorten ebenso wie Metallschäumen sehr wichtig. Hier ist
das Innovationspotenzial in Deutschland aufgrund seiner Forschungs- und Industriestruktur
sehr hoch. Eine besondere Herausforderung ist die Stärkung und der Ausbau der öffentlichen
und industriellen Forschung bei der Entwicklung neuer Alumiumlegierungen entlang der gesamten Prozesskette. 51
•
Faserverbundwerkstoffe spielen eine zunehmende Rolle im Automobil- wie auch im Flugzeugbau. Die Wachstumspotenziale werden als sehr gut eingeschätzt. 52 Hier müssen insbesondere
die hohen Kosten bei der Herstellung reduziert werden. Forschungsschwerpunkt in Deutsch-
42
BMW Group (2015)
Volkswagen AG (2014)
SuperLIGHT-CAR (2015)
RWTH Aachen (2015b)
Leichtbau BW (2014a), S. 32
AVK und CCeV (2014), S. 20
Metalle pro Klima und Aleris (2014)
Leichtbau BW (2014b), S. 4
Leichtbau BW (2014a), S. 30 ff.
VDI (2014), S. 9
AVK und CCeV (2014); Leichtbau BW (2014a), S. 30 ff.
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
14
land ist daher die Entwicklung kostengünstigerer skalierbarer automatisierter Produktionstechniken. Die Entwicklung numerischer Tools für eine faserverbundgerechte Bauteilauslegung, der Aufbau einer konkurrenzfähigen Faserproduktion in Deutschland sowie die Entwicklung von Recyclingtechniken sind ebenfalls wichtige Herausforderungen.53
•
Die Fragestellung, welcher Leichtbauwerkstoff das größte Wachstumspotenzial im Automobilbau hat, war Schwerpunkt des VDI Themenradars Automobil im Oktober 2014. 54 Auf die
Frage, welches Material in den nächsten Jahren prozentual den größten Zuwachs haben wird,
lagen die Faserverbundwerkstoffe mit 67,4 % weit vor Magnesium (19,1 %) und Aluminium
(13,5 %). Allerdings ist dabei zu berücksichtigen, dass die metallischen Leichtbaumaterialien,
insbesondere Stahl und Aluminium, bereits seit Jahrzehnten im Fahrzeugbau etabliert sind:
„Der prozentuale Zuwachs der drei Technologien in der Serie ist relativ zu den aktuellen Jahresproduktionsvolumen zu bewerten.“ 55
•
„Der Multimaterialansatz spielt eine zentrale Rolle für den Leichtbau im Fahrzeugbau“. 56 Allerdings wird das Potenzial in verfügbaren Marktstudien noch nicht abgebildet. Der größte Forschungsbedarf wird in den Bereichen Recycling, Simulation, Design, Verbindungstechnik, Fügeflächenvorbehandlung und der zerstörungsfreien Qualitätssicherung verschiedener Werkstoffe gesehen. Hier bietet sich die Chance, durch innovative Lösungen neue Märkte zu erschließen. 57
•
Ein weiterer Trend ist der bionische Leichtbau. Dabei wird erforscht, wie Struktur- und
Konstruktionsprinzipien der Natur für Leichtbauanwendungen genutzt werden können. Strukturleichtbau im Automobilbau mithilfe der Bionik versprechen Gewichtseinsparungen bis zu 50
% 58
•
Längerfristig empfiehlt sich hier die Entwicklung von Prinzipien des Konzept-Leichtbaus, um
auch in der Zukunft weitere erhebliche Werkstoffeinsparungen erzielen zu können. So zeichnet
sich derzeit ab, dass „konventionelle“ Methoden des Stoff-, Form- und Fertigungsleichtbaus in
der Automobilindustrie in den 2020er Jahren an ihre Grenzen stoßen.
Um einen Eindruck von den gegenwärtigen Trends zu gewinnen, hilft ein Blick auf die Hauptfragestellungen und das Programm des 5. VDI-Leichtbaukongresses 2015. 59
2.2.2 Maschinen- und Anlagenbau
Die betrachteten Studien kommen zu folgenden zentralen Feststellungen und Empfehlungen hinsichtlich des Maschinen- und Anlagenbaus:
•
Der Maschinen- und Anlagenbau stellt einen großen und wachsenden Markt für Leichtbaulösungen dar. Die Fertigung für den Energiebereich und für medizintechnische Anwendungen
zeigt eine große Dynamik. Allerdings sind Potenziale der Leichtbaumärkte nur sehr schwierig
abzuschätzen. 60
•
Die kurz- bis mittelfristig größten Leichtbaumärkte im Maschinenbau bestehen für hochfesten
Stahl, Aluminium sowie faserverstärkte Kunststoffe (GFK, CFK, etc.). 61 Als zentraler Technolo-
53
VDI (2014a), S. 8
VDI (2014b)
VDI (2014b)
VDI (2014a), S. 32
VDI (2014a), S. 8
ELiSE (2015)
VDI-Wissensforum (2015)
54
55
56
57
58
59
60
61
15
gieanbieter für Faserverbundwerkstoffe im Maschinen- und Anlagenbau hat sich beim VDMA
das Forum Composite Technology gegründet. 62
•
Bei bewegten Komponenten verwendet der Maschinenbau zunehmend Leichtbau-Materialien.
Ein Forschungsschwerpunkt ist beispielsweise die Entwicklung von hochdämpfenden Leichtbauverbundwerkstoffen, mit denen eine Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit, der Bearbeitungsgeschwindigkeit, der Lebensdauer sowie ein geringerer Werkzeugverschleiß erzielt werden kann. 63
•
Bei thermischen Kraftwerken werden neben Hochtemperaturstählen und -legierungen vermehrt Keramik- oder Metall-Keramik-Verbünde und faserverstärkte Keramiken (CMC) eingesetzt. Hierbei steht nicht der Leichtbau, sondern die höhere Temperaturbeständigkeit im Fokus. Diese Materialien bieten ein enormes Potenzial zur Steigerung des Wirkungsgrades der
Kraftwerke und tragen zur Senkung der Treibhausgas-Emissionen in der Stromerzeugung bei.
Der erfolgreiche Einsatz der Keramikwerkstoffe in diesem Bereich kann ihre Verbreitung für
Leichtbaulösungen in anderen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus forcieren. 64
•
Leichtbaulösungen könnten über die künftige Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands bei Windkraftanlagen entscheiden. Die meisten Rotorblätter bestehen aus GFK. Da die Rotorblätter mit
zunehmender Leistung stetig größer werden, findet hier eine Substitution von GFK durch CFK
statt. Für CFK-Hersteller sind Windenergieanlagen ein großer Absatzmarkt. 65, 66, 67 Entscheidend
ist hier die automatisierte Produktion der Rotorblätter zu wettbewerbsfähigen Preisen.
•
Das Know-how der hybriden Produktgestaltung bildet die Basis für zukünftige Produkte mit
hohen Wachstumsraten. Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus, insbesondere kleine
und mittlere Unternehmen (KMU), sind heute noch nicht ausreichend über Leichtbaulösungen
informiert. Technologie- bzw. Leichtbauentwicklungen können schneller von der Forschung in
die Produktentwicklung gebracht werden, wenn sich Forschungseinrichtungen intensiver mit
Unternehmen über die technologischen Entwicklungen austauschten.68 Eine Fachmesse für
Leichtbau im Maschinen- und Anlagenbau ist „LIMA- Internationale Messe & Symposium für
Leichtbau im Maschinen- und Anlagenbau“ in Chemnitz. 69
Im Rahmen eines industriepolitischen Dialogs zum Leichtbau im Maschinen- und Anlagenbau ist es
erforderlich, im Austausch mit der Forschung und der Industrie die Potenziale noch stärker systematisch zu erfassen und zu diskutieren. In Expertengesprächen mit den Autoren dieser Kurzstudie wurde die Einschätzung gegeben, dass im Gegensatz zum Automobil- und Flugzeugbau das Thema
Leichtbau im Maschinenbau- und Anlagenbau aufgrund der vielfältigen Fragestellungen nicht strategisch sondern stark operativ in Hinblick auf die Bedürfnisse der Unternehmen diskutiert wird. Für den
Austausch, insbesondere mit kleinen und mittleren Unternehmen, wird für diese Branche das Format
eines Mittelstandsdialogs für zielführend erachtet.
2.2.3 Bauindustrie
Leichtbau spielt im Baugewerbe eine wichtige Rolle. In den nächsten Jahren ist von einer Zunahme
der Nutzung von Leichtbaumaterialien auszugehen. Leichtbauprinzipien werden bei neuen Designs,
beispielsweise bei Fassadenkonstruktionen, eingesetzt. 70 Neben den in Kapitel 2.1. bereits bespro62
63
64
65
66
67
68
69
70
VDMA Composite Technology (2015)
Fraunhofer IFAM (2015)
VDI (2014a), S. 236 ff.
VDI ZRE (2014a)
Fachmesse LIMA(2015)
Leichtbau BW (2014a), S. 19 ff.
16
chenen Innovationen im Bereich der hochfesten Stähle und der technischen Textilien sind die verstärkte Nutzung von FVK (insbesondere GFK) zu nennen. Eine weitere vielbeachtete Materialinnovation ist die Entwicklung von Ultrahochleistungsbeton (UHC), bei dem durch den Zusatz von NanoMaterialien eine sehr hohe Festigkeit erreicht werden kann. 71
Eine weitergehende Betrachtung der Leichtbauinnovationen in der Bauindustrie ist im Rahmen dieser
Kurzstudie nicht möglich. Im Rahmen der Vorbereitung eines möglichen industriepolitischen Dialogs
zu diesem Thema wären vertiefende Untersuchungen in enger Abstimmung mit Akteuren aus Forschung, Verbänden und Unternehmen erforderlich.
2.3 Ressourceneffizienz und Leichtbau
Gemäß VDI-Richtlinie VDI 4800 Blatt 1 (Entwurf) ist Ressourceneffizienz als Verhältnis eines bestimmten Nutzens oder Ergebnisses zum dafür nötigen Einsatz natürlicher Ressourcen definiert. 72 Die VDIRichtlinie 4800 Blatt 1 (Entwurf) unterscheidet drei verschiedene Möglichkeiten der Steigerung der
Ressourceneffizienz durch Leichtbau:
•
•
•
Verminderung des Werkstoffeinsatzes bei gleichbleibendem Werkstoff (z.B. Tailored blanks)
Den Einsatz leichterer Werkstoffe (z.B. Aluminiumlegierungen, hochfeste Stähle, CFK)
Veränderungen der Produktstruktur (z.B. Gitterstrukturen)
Der Fokus der vorliegenden Bestandsaufnahme liegt bei den Leichtbaupotenzialen durch den Einsatz
leichterer Werkstoffe bei gleichbleibender Funktionalität (Materialsubstitution).
Bei der Substitution ist gemäß VDI-Richtlinie 4800 Blatt 1 (Entwurf) die Werkstoffauswahl entscheidend für die Ressourceninanspruchnahme in allen Phasen des Lebenswegs, also bei der Rohmaterialherstellung, der Produktherstellung, der Nutzungsphase, der Verwertung/Beseitigung sowie beim
Transport. Die entsprechenden Auswirkungen müssen bei der Bewertung der Ressourceneffizienz
durch die Verwendung neuer Leichtbaumaterialien berücksichtigt werden.
Als Beispiel für mögliche Auswirkungen der Verwendung neuer Leichtbaumaterialien seien an dieser
Stelle die fertigungs- und nutzungsgerechte Produktgestaltung, die Produktlebensdauer, die
Reparierbarkeit sowie die Recyclingfähigkeit genannt. Bei Verbundwerkstoffen ist z. B. die Möglichkeit der sortenreinen Trennung der verschiedenen Komponenten für die Recyclingfähigkeit von Bedeutung. Bei der Verwendung von Multimaterialsystemen ist die Trennbarkeit der einzelnen Komponenten wichtig (hier z.B. durch die Auswahl der Fügetechniken). In der Fertigungsphase ist darauf zu
achten, wie sich die Auswirkungen auf die Ressourceneffizienz im Produktionsprozess darstellen. 73
In einer Studie der Landesagentur für Elektromobilität Baden-Württemberg wird eine vergleichende
Ökobilanzierung der drei bedeutendsten Leichtbaumaterialien Stahl, Aluminium und CFK nach DIN
EN ISO 14040/14044 vorgenommen. 74 75 Ausgehend von einem 10 kg schweren Stahlstrukturbauteil
für den automobilen Einsatz, das als Referenz fungiert, werden Gewichtseinsparpotenziale durch den
Einsatz von Hochleistungsstahl (um 15 %, auf 8,5 kg), Aluminium (um 40 % auf 6,0 kg), quasiisotropes
CFK (um 52 % auf 4,8 kg) und unidirektionales CFK (um 79 % auf 2,1 kg) angenommen. Es wird der
Primärenergiebedarf und das Treibhauspotenzial dieser Bauteile für die verschiedenen Nutzungsphasen berechnet und dann aufsummiert. Ein Großteil des Primärenergiebedarfs bei allen drei Materialien erfolgt durch die Rohstoffbereitstellung, wobei die Herstellung der CFK-Bauteile am energieintensivsten ist. Hier dominiert bei weitem die Herstellung der Kohlenstofffaser aus dem erdölbasierten Polyacrylnitril (PAN). Der Primärenergiebedarf zur Bereitstellung des Epoxidharzes für CFK ist
71
72
73
74
Die Welt (2011)
VDI (2014c)
Siehe Gesamtübersicht über die Strategien zur Steigerung der Ressourceneffizienz in VDI (2014c)
e-Mobil BW (2012b), S. 17 ff.
17
mit der des Primäraluminiums vergleichbar. Die Bereitstellung des Primäraluminiums (Herstellung
aus Bauxit) ist energieintensiver als die des Primärstahls (benötigte Rohstoffe sind Eisenerze und
Steinkohle). Allerdings liegen hier aufgrund der weiter entwickelten Technologien geringere Verbesserungspotenziale als bei CFK. Während der Nutzungsphase schneiden die CFK-Bauteile am besten
ab. Die Frage, wie weit der energetische Aufwand zur Rohstoffbereitstellung bei den Materialien in
der Nutzungsphase kompensiert wird, hängt u. a. von der Fahrleistung ab. Am Ende der Nutzungsphase werden bei Stahl und Aluminium Recycling-Potenziale zugrunde gelegt, die die Einsparung von
Primärmaterial und die damit verbundene Senkung des Energieverbrauchs und der Umweltbelastung
berücksichtigen. Die Modellierung des Werts für CFK beinhaltet die Verbrennung und die damit verbundene thermische Energierückgewinnung. Die Senkung des Primärenergiebedarfs und des Treibhauspotenzials ist durch das Recycling bei Aluminium am größten, gefolgt von Stahl. Die entsprechenden Gutschriften durch die thermische Verwertung von CFK sind vergleichsweise gering. Im
Ergebnis stellen die Autoren fest, dass mit den Mitteln der Ökobilanzierung keine allgemeine Aussage über die Bevorzugung eines Leichtbaumaterials getroffen werden kann. Eine konkrete Aussage
über Vor- und Nachteile kann nur fallspezifisch vorgenommen werden.
Aus der Tatsache, dass die Autoren der Studie bei CFK noch keine Recyclingpotenziale ansetzen wird
deutlich, dass hier noch keine industriellen Prozesse zur Wiederverwertung entwickelt worden sind.
Neben der mechanischen Zerkleinerung ist die pyrolitische Trennung von Faser und Matrix ein zentrales Verfahren, mit der Kohlenstofffasern unterschiedlicher Qualität und Länge gewonnen werden
können. Daraus können verschiedene Produkte hergestellt werden. 76 77 Allerdings können die aufbereiteten Fasern nicht wieder für die Herstellung hochwertiger CFK-Bauteile verwendet werden. Weiterhin geht bei der Pyrolyse das Matrixmaterial vollständig verloren und kann nicht in den Stoffkreislauf zurückgeführt werden, womit eine prinzipielle Begrenzung der maximal erreichbaren Recyclingquote einhergeht. Andere chemische Verfahren, wie beispielswese die Aufbereitung durch einen
Solvolyse-Prozess, befinden sich in der Entwicklung. Allerdings gehen Experten davon aus, dass die
Pyrolyse und anschließende Faseraufbereitung in den nächsten zehn Jahren den effizientesten Prozess für die stoffliche Verwertung von CFK im industriellen Maßstab darstellen.
Der VDI Themenradar Automobil hat im Januar 2015 eine Umfrage durchgeführt und nach der Einschätzung gefragt, ob sich CFK durchsetzen wird. 78 Von den Befragten gaben 27,6 Prozent an, dass
dies erst dann der Fall sein wird, wenn die Recyclingfrage gelöst ist. Nur 13,8 Prozent sahen die Recyclingfrage für den Erfolg von CFK als nicht relevant an. Eine Übersicht über die Ressourceneffizienz
von CFK in allen Lebenszyklusphasen wurde in einer Kurzanalyse des VDI ZRE zusammengestellt. 79
Die Technologien zum Recycling von Aluminium und Stahl sind im Vergleich zum noch sehr jungen
Werkstoff CFK schon sehr weit entwickelt. 80, 81, 82 Aber auch hier gibt es noch Effizienzpotenziale. Eine
Reihe von Fragestellungen hierzu bearbeitet beispielsweise die Norsk Hydro ASA aus Norwegen, die
über sieben Standorte in Deutschland verfügt.83 Weiterhin förderte z. B. das Umweltinnovationsprogramm des BMUB die Entwicklung einer Anlage zur sortenreinen Trennung von Aluminiumlegierungen. 84 Das BMBF fördert im Rahmen des Förderschwerpunkts „r3 – Innovative Technologien für Res-
76
77
78
79
80
81
82
83
84
Siehe z.B. CFK-Valley (2015)
VDI ZRE (2013)
VDI (2015)
VDI ZRE (2013)
e-Mobil BW (2012b)
GDA (2015)
Wirtschaftsvereinigung Stahl (2015c):
Hydro Aluminium Deutschland (2015)
BMUB (2013)
18
sourceneffizienz – Strategische Metalle und Mineralien“ eine Reihe von Forschungsprojekten, die die
Ressourceneffizienz metallischer Materialien verbessern sollen. 85
Ein anderes Beispiel für die Betrachtung des gesamten Lebenszyklus ist der Einsatz nachwachsender
Rohstoffe, beispielsweise von Biokompositen. Für eine Verbesserung der Ressourceneffizienz muss
gemäß der VDI-Richtlinie 4800 Blatt 1 (Entwurf) „sichergestellt sein, dass nicht mehr verbraucht wird,
als im gleichen Zeitraum nachwachsen kann, der Anbau umweltverträglich erfolgt und keine Flächennutzungskonkurrenzen mit der Nahrungsmittelproduktion vorliegen“.
Als Fazit bleibt festzuhalten, dass eine Bewertung der Ressourceneffizienz von Leichtbaumaterialien nur für jede spezifische Anwendung über eine Bewertung des gesamten Lebenszyklus möglich
ist. Der Trend zur Kombination verschiedener Materialien zur Erreichung optimaler Ergebnisse ist ein
wichtiger Aspekt für die Diskussion der Ressourceneffizienz innovativer Leichtbaukonzepte. Begleitende spezifische Bewertungen der Ressourceneffizienz müssen daher kontinuierlich erfolgen die
dafür erforderlichen Methoden weiterentwickelt und breit diskutiert werden. Eine wichtige Plattform
dafür könnte das Themenfeld Umwelt im vorgeschlagenen industriepolitischen Dialog darstellen.
2.4 Beschäftigungseffekte und Qualifizierungsanforderungen
Feststellungen bzgl. der Beschäftigungseffekte und der Qualifizierungsanforderungen sind im Einzelnen:
•
Durch Leichtbau werden positive Umsatz- und Beschäftigungseffekte erwartet. 86 Eine systematische Untersuchung zu realisierten oder erwarteten Beschäftigungseffekten in den verschiedenen Anwendungsbranchen konnte allerdings durch die Autoren der Kurzstudie nicht identifiziert werden. Es bleibt aber festzuhalten, dass die mit neuen Leichtbauinnovationen einhergehenden Veränderungen der Wettbewerbssituation je nach Aufstellung der Unternehmen
positive oder negative Beschäftigungseffekte haben werden.
•
Werkstoffinnovationen in Deutschland erfordern eine stetige Aus- und Weiterbildung von qualifizierten Mitarbeitern in Forschung und Industrie. „Neue Anforderungen, die aufgrund von
neuartigen Werkstofflösungen und Materialkombinationen entstehen, sind frühzeitig und kontinuierlich in die betreffenden Studienpläne, beruflichen Ausbildungsinhalte und Weiterbildungsinhalte zu integrieren.“ 87
•
Bei der beruflichen Aus- und Weiterbildung ist es notwendig, kurzfristige Wissenslücken
durch eigene Weiterbildungsmaßnahmen zu schließen. Themengebiete für Facharbeiter sind
z. B. neuartige Fügetechniken, Bearbeitung und Herstellung von Faserverbundmaterialien, zerstörungsfreie Prüfung sowie Werkstoffkunde und Grundregeln für den Umgang mit neuen Materialien. Themenschwerpunkte für Ingenieure sind Leichtbauwerkstoffe, hybride Verbindungstechnik, Konstruktion und Auslegung von Faserverbundsystemen und belastungsgerechte Bauteilauslegung 88
•
Eine kontinuierliche Aktualisierung des Fachwissens durch Weiterbildungs- und Technologietransfermaßnahmen ist für die erfolgreiche Umsetzung von Leichtbaulösungen am Markt unerlässlich. Ein Beispiel hierfür ist das Projekt MAI Bildung im Rahmen des Spitzenclusters MAI
Carbon. 89
85
BMBF (2014)
e-mobil BW (2012a), S. 13
VDI (2014a), S. 10
e-mobil BW (2012b), S. 30 ff.
MAI Carbon Cluster Management GmbH (2015)
86
87
88
89
19
2.5 Fördermöglichkeiten des Bundes und der Länder zum Thema Leichtbau
Im Folgenden findet sich ein aktueller Überblick (Stand März 2015) zu den vielfältigen Fördermöglichkeiten des Bundes und der Länder vor allem zum Thema Leichtbau, erstellt von der Förderberatung „Forschung und Innovation“ des Bundes (Tabellen 2 und 3). 90
Name des Programms
Erläuterungen
Fördermittelgeber
Vom Material zur Innovation
Das Förderprogramm „Vom Material zur Innovation“
des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
(BMBF) setzt die erfolgreichen Förderstrategien des
Vorgängerprogramms „Werkstoffinnovationen für
Industrie und Gesellschaft – WING“ fort. Es ist bis
zum Jahr 2024 angelegt und mit insgesamt rund
einer Milliarde Euro ausgestattet.
BMBF
Forschung für eine umweltschonende, zuverlässige und
bezahlbare Energieversorgung
Themenfelder im Bereich WEA - Rotorblätter, Gründungs-, Fundament-, und Turmkonzepte, Tragstrukturen, Energieoptimiertes Bauen - EnOB, Materialeffizienz energieintensiver Rohstoffe, Leichtbauwerkstoffe
BMWi
Materialforschung für die (Bis März 2015) Themenfelder im Bereich WindenerEnergiewende
gie: Leichtbauweise durch Aluminium, Hybridmaterialien, Kunststoffbauteile, Werkstoffe und Werkstoffverbünde für modulare Bauweisen
BMBF
Regierungsprogramm
Elektromobilität
Themenfelder sind u.a. Demonstration und Erprobung innovativer Mobilitätssysteme, Produktion für
zukünftige Batteriegenerationen sowie Forschung
und Entwicklung zu Recyclingverfahren
BMWi,
BMVI,
BMBF,
BMUB
Elektromobilität, Positionie- Materialforschung und Leichtbau mit Bezug auf die
rung entlang der Wertschöp- gesamte Wertschöpfungskette
fungskette - ELEKTRO POWER
BMWi
Photonik
Forschung Photonische Verfahren und Werkzeuge für den resDeutschland - Licht mit Zu- sourceneffizienten Leichtbau
kunft
BMBF
5.
ziviles
Luftfahrtfor- Programmlinie "Ökoeffizientes Fliegen", Programmschungsprogramm (LuFo V)
linie "Technologie"
BMWi
2. Aufruf zum LuFo V (LuFo Gewichts- und kostenoptimierte Primärstrukturen
V-2), am 15.01.2015 beendet z.B. integrale, ganzheitliche Leichtbauweisen
BMWi
Tabelle 2: Fachprogramme Forschung des Bundes für Leichtbau
90
Abfrage bei der Förderberatung „Forschung und Innovation“ des Bundes (März 2015)
20
Name des Programms
Erläuterungen
Fördermittelgeber
Förderung des Ausbaus der Gefördert werden Vorhaben zum Ausbau vorwirtschaftsnahen Forschungs- handener Kernkompetenzen, u. a. Leichtbauinfrastruktur und des Technolo- technologie
gietransfers zur Erweiterung
von
Innovationskapazitäten
sowie von Unternehmensgründungen (EVI 2014-2020)
BW
Bayerisches
Forschungspro- Verbundvorhaben in den Bereichen industrielle
gramm
Neue
Werkstoffe Forschung und experimentelle Entwicklung auf
dem Gebiet neue Materialien und Werkstoffe
(BayNW)
BY
Förderwettbewerb
NeueWerkstoffe.NRW
Projekte, die insbesondere neue und nachhaltig
verbesserte Werkstoffe u.a. durch CompositMaterialien, Multimaterialleichtbau und hybride Werkstoffe für wirtschaftliche Anwendungen, entwickeln bzw. weiterentwickeln
NRW
Tabelle 3: Förderprogramme einiger Bundesländer mit Relevanz für das Thema Leichtbau
2.6 Leichtbauprojekte im Förderkatalog der Bundesregierung
Der Datenbestand im Förderkatalog der Bundesregierung enthält derzeit Fördermaßnahmen (Vorhaben) der folgenden Ministerien: Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bundesministerium
für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie,
Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft, Bundesministerium für Verkehr und digitale
Infrastruktur. Ein vom Projektteam erstellter Auszug (Stand März 2015) gibt einen auszugsartigen
Überblick über geförderte Unternehmen und Themen (Tabelle 4).
Zuwendungsempfänger
Thema
Laufzeit
Fördersumme
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Next Generation Hochvoltspeicher in Leichtbauweise - NEXHOS
2012-16
4.359.380 €
AUDI Aktiengesellschaft
SMILE - Systemintegrativer Multi-MaterialLeichtbau für die Elektromobilität
2014-17
3.646.816 €
Brandenburgische Technische
Universität (BTU) CottbusSenftenberg
InnoProfile-Transfer Nachwuchsgruppe Stiftungsprofessur: Leichtbau mit strukturierten Werkstoffen
2015-19
3.121.075 €
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung
e.V.
2014-17
3.114.897 €
lightweight solutions GmbH
Aufbau einer Serienproduktion für das Leichtbausystem lisocore
2010-15
1.651.500 €
VOLKSWAGEN AKTIENGESELLSCHAFT
2014-17
1.645.973 €
FRIMO Sontra GmbH
2014-17
1.211.292 €
21
Zuwendungsempfänger
Thema
Laufzeit
Fördersumme
Voith Composites GmbH & Co. KG
2014-17
781.940 €
CarboFibretec GmbH
KMU-innovativ - Ressourceneffizienz: Feldspritzen
in innovativer, schwingungsfreier Leichtbaukonstruktion für die ressourcenschonende Feldbewirtschaftung (FIBRE)
2012-15
600.397 €
REMONDIS Assets & Services GmbH Verbundprojekt: Fertigungs- und Recyclingstrate& Co. KG
gien für die Elektromobilität zur stofflichen Verwertung von Leichtbaustrukturen in Faserkunststoffverbund-Hybridbauweise (ReLei)
2014-17
579.465 €
HBW-Gubesch Thermoforming
GmbH
Next Generation Hochvoltspeicher in Leichtbauweise - NEXHOS
2013-16
577.181 €
ABB Automation GmbH
Verbundprojekt: Next Generation Hochvoltspeicher Baukasten in Leichtbauweise (NEXHOS),
Teilprojekt Fertigung Gesamtspeicher
2012-16
544.590 €
Tabelle 4: Auswahl von Leichtbauprojekten aus dem Förderkatalog der Bundesregierung (eigene
Darstellung)
3
Stakeholderanalyse für den Bereich Leichtbau
Angesichts der wachsenden Durchdringung wichtiger Branchen mit Leichtbau-Lösungen fehlt in
Deutschland gegenwärtig ein konziser und gut verständlicher Überblick über vorhandene Kompetenzträger (Stakeholder) sowie deren Forschungs- und Innovationsbestrebungen. Um den Leichtbau
jedoch weiter voranzubringen, z. B. über branchenübergreifende Zusammenarbeit und Koordination,
ist ein solcher bundesweiter Überblick notwendig. Perspektivisch sollten alle relevanten Stakeholder
die Möglichkeit haben, ihre Forschungs- und Technologiekompetenzen in das Gesamtbild an Kompetenzen einzuordnen. Hierzu bietet sich ein bundesweiter „Kompetenzatlas Leichtbau“ an, in dem sich
Anbieter proaktiv eintragen könnten und der u.a. folgende Merkmale berücksichtigt:
•
Einrichtungstyp: Institute, Hochschulen, Unternehmen, Netzwerke, Cluster, Gewerkschaften,
Verbände, Sonstige
•
Anzahl Mitarbeiter (im Leichtbausegment)
•
•
•
•
•
Jahresumsatz (im Leichtbausegment)
Leichtbau-relevante Geschäftstätigkeit/Produkte
Technologie-/Forschungsschwerpunkte
Öffentlich geförderte Leichtbau-Forschungsvorhaben
Kooperationsinteresse
Für Baden-Württemberg bietet der Online-Kompetenzatlas von Leichtbau BW bereits eine Übersicht
der Akteure nach Kompetenzen und Branchen. Die Kompetenzen sind nach Kundennutzen, Methoden, Werkstoffen, Produktion und Querschnittsthemen mit jeweils mehreren Unterbereichen
recherchierbar. Unter Branchen finden sich klassische Branchen wie Automobilindustrie und Bauwirtschaft, aber auch werkstoffbezogene Kategorien wie Metalle und Beton sowie eine Differenzierung nach Wertschöpfungsstufen wie Materiallieferant und Endprodukthersteller.
22
Für den Bereich CFK in Bayern hat der Verein Carbon Composite e.V. mit Unterstützung des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie einen Technologiereport erstellt, der laut Eigenbeschreibung die wesentlichen bayerischen Forschungsakteure aus Wissenschaft und Industrie sowie deren Forschungsbestrebungen im CFK-Bereich erfasst und somit einen Überblick über die bayerische CFK-Forschungslandschaft gibt.
Im Rahmen der vorliegenden überblicksartigen Bestandsaufnahme zu Leichtbau in Deutschland hat
das Projektteam für eine vorläufige bundesweite Stakeholderanalyse, die keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben kann, mehrere Recherchewege gewählt und die Ergebnisse zusammengeführt.
In einem ersten Schritt wurden mittels Internetrecherche kooperative Formen wie Cluster, netzwerkförmige Akteure, Verbände und andere Intermediäre identifiziert. In einem zweiten Schritt wurde im
„Förderkatalog der Bundesregierung“ 91 und in GEPRIS (Geförderte Projekte der Deutschen Forschungsgemeinschaft) 92 nach aktuellen Leichtbau-Akteuren (Stand März 2015) recherchiert. Die Ergebnisse zu den einzelnen Stakeholder-Gruppen finden sich in den hier anschließenden Kapiteln 3.1
bis 3.4.
3.1 Cluster und Netzwerke
Im Rahmen bereits existierender kooperativer Formen, Cluster und Netzwerke, wird angestrebt, die
Potenziale des Leichtbaus für die deutsche Industrie intensiv zu erschließen. Als prominente Beispiele
können hier folgende Akteure genannt werden:
Cluster und Netzwerke
•
Leichtbau BW GmbH, Leichtbau-Agentur des Landes Baden-Württemberg
•
•
•
•
Schwerpunktthema im Cluster Neue Werkstoffe der Agentur Bayern Innovativ
•
•
•
•
•
•
CFK-Valley Stade e. V.
•
•
Allianz Textiler Leichtbau der TU Chemnitz
•
Leichtbautag des Vereins Kunststoffland NRW
Initiative Massiver Leichtbau
AiF – Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V.
Carbon Composite e. V.
Forschungscampus Arena2036
Forschungscampus Open Hybrid Labfactory
Spitzencluster MAI Carbon
Spitzencluster BioEconomy, Themenfeld Polymere aus Biomasse
Cluster “Leichtbau und Textilien“ der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e. V. AiF und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)
Leichtbau Cluster der Hochschule Landshut
Weitere relevante Cluster findet man beispielsweise auf der „Clusterplattform Deutschland“ von
BMWi und BMBF. 93
91
92
93
Vgl. Bundesregierung (2015): Im Förderkatalog der Bundesregierung finden sich keine Angaben zu den
sogenannten assoziierten Projektpartnern ohne materielle Förderung durch den Bund oder zu Partnern,
die im Rahmen von Unteraufträgen im Rahmen eines Projektes aktiv sind.
DFG (2015)
BMWi/ BMBF (2015)
23
3.2 Verbände, Gewerkschaften und andere Intermediäre
Darüber hinaus sind folgende Verbände, Gewerkschaften und andere Intermediäre mit Aktivitäten,
wie z. B. Pressemitteilungen, Veranstaltungen, Positionspapieren oder ähnlichem, zu beobachten:
•
•
Industriegewerkschaft Metall (IGM)
•
•
•
•
•
Verband der Chemischen Industrie (VCI)
•
•
•
Wirtschaftsvereinigung Stahl (WV Stahl)
Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA)
Verband der Automobilindustrie (VDA)
Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe (AVK)
Verein Deutscher Ingenieure (VDI)
Wirtschaftsvereinigung Metalle (WV Metalle) als Dachorganisation der Wirtschaftsverbände
der Nichteisen-Metallindustrie (GDA Gesamtverband der Aluminiumindustrie e. V., GDB Gesamtverband der Deutschen Buntmetallindustrie e. V. und BDG Bundesverband der Deutschen
Gießerei Industrie e. V.)
Stahlinstitut VDEh
Industriegewerkschaft Bergbau Chemie Energie (IGBCE)
Im Rahmen eines möglichen bundesweiten „Kompetenzatlas Leichtbau“ ließe sich diese Liste, die auf
einer ersten Internetrecherche basiert, im Dialog mit den Akteuren ggf. erweitern.
3.3 Hochschulen und Institute
Im Folgenden werden – abermals ohne Anspruch auf Vollständigkeit – Hochschulen und Institute
aufgelistet, die im Förderkatalog des Bundes 94 mit größeren Projekten zum Thema Leichtbau vertreten sind. Der Datenbestand enthält derzeit Fördermaßnahmen (Vorhaben) der folgenden Ministerien: Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau
und Reaktorsicherheit, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft, Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur.
Hochschulen
•
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
•
•
•
Brandenburgische Technische Universität (BTU) Cottbus-Senftenberg
•
•
•
•
•
•
•
Leibniz Universität Hannover
•
Universität Konstanz
94
Im Förderkatalog des Bundes werden keine einzelnen Fachbereiche der jeweiligen Hochschulen aufgeführt.
Hochschule Aalen - Hochschule für Technik und Wirtschaft
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Technische Universität Bergakademie Freiberg
Technische Universität Berlin
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
Technische Universität Dresden
Technische Universität München
24
•
Universität Paderborn
•
Universität Stuttgart
Darüber hinaus finden sich in GEPRIS mit vielfältigen Aktivitäten im Bereich Leichtbau noch die
•
•
Universität Rostock
Hochschule Landshut
Außeruniversitäre Forschung / Institute
•
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)
•
FITT-Institut für Technologietransfer an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes gGmbH
•
•
•
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. 95
•
•
Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.
ifn Anwenderzentrum GmbH
Laser Zentrum Hannover e. V.
Sondervermögen Großforschung beim Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Darüber hinaus findet sich in GEPRIS mit vielfältigen Aktivitäten im Bereich Leichtbau noch das
Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT).
3.4 Unternehmen
Im Folgenden werden – ohne Anspruch auf Vollständigkeit – Unternehmen gelistet, die aktuell (Stand
März 2015) im Förderkatalog des Bundes mit größeren Projekten zum Thema Leichtbau vertreten
sind. Berücksichtigt man bei dieser Listung rein numerisch, dass es nach den Daten des Instituts für
Mittelstandsforschung ca. 14.400 Großunternehmen (Stand 2012) und ca. 3.7 Mio. KMU (Stand
2014) in Deutschland gibt, 96 scheint die hier ermittelte Anzahl von Unternehmen in Deutschland, die
im Bereich Leichtbau aktiv ist, noch recht klein zu sein. 97
•
•
•
•
•
•
Abacus Maschinenbau GmbH
•
•
•
•
•
•
Aumann GmbH
95
Die in der Fraunhofer-Allianz Leichtbau zusammengeschlossenen Fraunhofer-Institute haben die für
Leichtbau erforderlichen Kompetenzen gebündelt.
IFM (2015)
Dies war auch die Einschätzung der Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Stakeholderworkshops insbesondere in Bezug auf KMU (Informationen zum Workshop sind im Anhang zu finden).
96
97
ABB Automation GmbH
Aimess Services GmbH
Airbus Group
ARBURG GmbH + Co KG
AUDI Aktiengesellschaft
BASF SE
Basell Polyolefine GmbH (heute Teil der LyondellBasell Industries AF S.C.A.)
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft (BMW)
Bosch Rexroth Aktiengesellschaft
CarboFibretec GmbH
25
•
Daimler AG
•
•
•
•
•
•
•
Deutsche Edelstahlwerke GmbH
•
•
HBW-Gubesch Thermoforming GmbH
•
•
•
•
•
Kirchhoff Automotive Deutschland GmbH
•
•
•
•
•
•
MAHLE Behr GmbH & Co. KG (Teil der MAHLE GmbH)
•
•
•
•
•
•
•
Rolls-Royce Deutschland
•
•
•
•
•
TRUMPF Laser GmbH
Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau
ElringKlinger AG
FRIMO Sontra GmbH (Teil der FRIMO Group GmbH)
GKN plc
Grimm-Schirp Maschinen- und Werkzeugbau GmbH
Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG
INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
KMS Automation GmbH
KraussMaffei Technologies GmbH
Laserline Gesellschaft für Entwicklung und Vertrieb von Diodenlasern mbH
lightweight solutions GmbH
MgF Magnesium Flachprodukte GmbH (Teil der ThyssenKrupp AG)
MT Aerospace / OHB
MTU Aeroengines
REMONDIS Assets & Services GmbH & Co. KG (Teil der REMONDIS SE & Co. KG)
ROFIN-BAASEL Lasertech GmbH & Co. KG (Teil der ROFIN-SINAR Technologies Inc.)
Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
SLCR-Lasertechnik GmbH
SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH
ThyssenKrupp AG
TRINAMIC Motion Control GmbH & Co. KG
Volkswagen AG
Voith Composites GmbH & Co. KG (Teil der Voith GmbH)
Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH (Teil der Hofmann Innovation Group)
Zehdenick Innovative Metall- und Kunststofftechnik GmbH (Teil der Diehl Stiftung & Co. KG)
Leichtbau ist außerdem ein wesentliches Tätigkeitsfeld beispielsweise der folgenden großen Unternehmen:
•
Dürr AG
•
Hydro Aluminium Deutschland GmbH
26
•
Pfleiderer Leutkirch GmbH
•
•
•
•
Salzgitter AG
SGL Group
UHU GmbH & Co. KG (Industriekleber für Leichtbaumaterialien)
ZF Composites Tech Center, ZF Friedrichshafen AG (im Gesamtunternehmen)
Wie bereits zu Beginn von Kapitel 3 angeführt, bietet es sich für einen zukünftig möglichst vollständigen Überblick zu den Stakeholdern im Bereich Leichtbau an, allen relevanten Stakeholdern die Möglichkeit zu bieten, ihre Forschungs- und Innovationskompetenzen in einem bundesweiten „Kompetenzatlas Leichtbau“ zu erfassen. In allen Bundesländern sind Aktivitäten von Unternehmen im Bereich Leichtbau zu verzeichnen. Eine solide differenzierte Gewichtung der regionalen Aktivitäten ließe sich im Rahmen eines zu erarbeiteten bundesweiten „Kompetenzatlas Leichtbau“ vornehmen.
4
Leitfragen und -themen für einen möglichen zukünftigen industriepolitischen Dialog zum Themenfeld Leichtbau
Ausgehend von der vorliegenden übersichtsartigen Bestandsaufnahme Leichtbau in Deutschland mit
ihrer techno-ökonomischen Analyse wesentlicher Leichtbau-Werkstoffe und -Technologien und der
Analyse der Stakeholder werden nachfolgend beispielhaft Leitfragen und -themen für einen möglichen industriepolitischen Dialog zum Themenfeld Leichtbau vorgeschlagen. Der Stakeholderworkshop, 98 der im März 2015 in Berlin stattfand, lieferte hierfür vielfältigen Input.
Mit Bezug auf einen möglichen industriepolitischen Dialog bietet sich eine thematische Dreiteilung
an:
•
•
•
Identifizierte Ziele für einen industriepolitischen Dialog Leichtbau
Identifizierte Akteure für einen industriepolitischen Dialog Leichtbau
Identifizierte Leitfragen und -themen für einen industriepolitischen Dialog
4.1 Identifizierte Ziele eines industriepolitischen Dialogs Leichtbau
Die Expertinnen und Experten, die am Workshop teilnahmen, haben folgende vier Ziele für einen
möglichen industriepolitischen Dialog formuliert:
1.
Technologieführerschaft Deutschlands und Nutzung der Chancen des weltweiten Wachstumsmarkts: Die große Bedeutung des Leichtbaus für die Wettbewerbsfähigkeit des Standortes Deutschland ist zu verdeutlichen. Leichtbau und die im engineering- und produktionsstarken Standort Deutschland vorhandene „Werkstoff-, Methoden- und Prozesskompetenz“ bieten
ähnlich große Chancen wie das Thema Digitalisierung, um den Industriestandort Deutschland
zu stärken und die Beschäftigungszahl zu stabilisieren oder zu erhöhen. Dazu sind zusätzliche
Investitionen in Forschung, Bildung und Lehre erforderlich. Dies vor dem Hintergrund, dass z.
B. in den USA derzeit große Investitionen in den Leichtbau sowohl seitens der öffentlichen
Hand als auch durch private Akteure erkennbar sind.
2.
Systemische Vernetzung der Akteure: Es soll ein offener Dialog zwischen den relevanten Akteuren aus den einschlägigen Branchen und über Branchengrenzen hinaus stattfinden. Gegenstände des Dialogs könnten z. B. die Potenziale einer branchenübergreifenden Zusammenarbeit, der Abbau bestehender Innovationshemmnisse und Barrieren oder der verbesserte
Transfer von Wissen über Leichtbau und seine Vorteile für KMU sein.
98
Informationen zu den Teilnehmerinnen und Teilnehmern des Workshops sind im Anhang zu finden.
27
3.
Positionierung des Leichtbaus als Querschnittsthema für Kernbranchen: Es soll deutlich werden, dass Leichtbau alle Kernbranchen der deutschen Industrie betrifft und eine bessere Materialproduktivität mit sich bringt und damit wettbewerbsrelevante Kostensenkungen über Material-, und nicht Personal-Produktivität, herbeigeführt werden können. Darüber hinaus geht
es auch um die Sensibilisierung hinsichtlich ggf. erforderlicher Standardisierungen bei den
komplexen Geometrien der Verbundwerkstoffe im Leichtbau.
4.
Kundenfokus und Überzeugung der Konsumenten von Leichtbau: Der industriepolitische Dialog sollte auch auf die Wertschätzung des Leichtbaus durch die Konsumenten abzielen. Dazu
gehört darzustellen, dass mit dem Leichtbau ein Produktmehrwert durch eine ressourceneffiziente Nutzung verbunden ist. Mit dem Leichtbau ist zusätzlich auch eine Technologie für altersgerechtes Arbeiten vorhanden, da durch leichtere Produkte und Produktionsmaschinen
Arbeitsbelastungen verringert werden können.
4.2 Identifizierte und benannte Akteure für einen industriepolitischen Dialog Leichtbau
Auf der Basis der Stakeholderanalyse (siehe Kapitel 3) und im Rahmen der Arbeiten des Stakeholderworkshops wurden nachstehende potenzielle Akteure identifiziert und benannt, die in einen möglichen industriepolitischen Dialog Leichtbau einbezogen werden sollten.
•
•
Politik und Verwaltung (z. B. BMWi, BMUB, BMBF)
•
Netzwerke und Cluster (z. B. Leichtbau BW, Bayern innovativ, CfK-Valley, Forschungsvereinigungen der industriellen Gemeinschaftsforschung)
•
•
•
Industriegewerkschaften (IGBCE, IG Metall)
Wirtschaft und Verbände (z. B. VDMA, VCI, VDA, AVK, VDI, WV Metalle, WV Stahl, Stahlinstitut
VDEh)
Wissenschaft (z. B. Fraunhofer Allianz „Leichtbau“, TU Dresden, DLR, Uni Stuttgart)
Weitere Teilnehmer (z. B. Berufsgenossenschaften)
Es wurde festgehalten, dass je nach Auswahl der Leitfragen und -themen die Besetzung unterschiedlich und die Beteiligung zusätzlicher Akteure nutzbringend sein kann. Insofern bietet es sich an, den
Dialog als offenen Prozess zu gestalten. Die besondere Rolle von Industrieunternehmen wurde ebenfalls thematisiert. Inwieweit Industrieunternehmen als Einzelakteure in einen solchen industriepolitischen Dialog eingebunden werden sollen, blieb in der Diskussion offen und müsste bei der weiteren
Konkretisierung des Vorhabens geklärt werden.
4.3 Identifizierte Leitfragen und -themen eines industriepolitischen Dialogs Leichtbau
In dem Workshop wurden von den Teilnehmerinnen und Teilnehmern die folgenden Themen mit
Leitfragen und -themen für einen möglichen industriepolitischen Dialog genannt, die in einem Dialog
behandelt werden können. Diese sind hier der Übersicht halber in vier Themenfeldern, die eng miteinander verbunden sind, zusammengefasst:
•
Wettbewerb und Märkte: Die Industrie in Deutschland ist durch den technologischen Vorsprung im Leichtbau im internationalen Wettbewerb gut aufgestellt, da der Leichtbau in den
die Wirtschaftsstruktur prägenden, innovationsstarken Branchen eine Schlüssel- und
Querschnittstechnologie ist. Die hiesige Industrie kann sich hier vom Wettbewerb absetzen,
wenn sie a) werkstoffübergreifend, b) mit Konzept-Leichtbau und Konstruktionsweisen und c)
in Kunden- und Mehrwert-Orientierung arbeitet. In anderen Industrieländern wie den USA sind
28
aber große Investitionen in den Leichtbau zu erkennen, die die führende Position Deutschlands
vor neue Herausforderungen stellen.
•
Technologie: Die Technologieführerschaft im Bereich Leichtbau soll durch breit verfügbare
Informationen zu deren Potenzialen und durch Erhöhung von Leichtbauspezifikationen in Produktpflichtenheften gefestigt werden. Dazu gehören auch Wirtschaftlichkeitsanalysen von
Leichtbaukonzepten über den gesamten Lebenszyklus hinweg, die auch umwelttechnische Aspekte einschließen und Daten bereits am Beginn des Entwicklungsprozesses zur Verfügung
stellen („front-loading“), sowie Kenntnisse über Verfügbarkeit adäquater Leichtbaumaterialien.
•
Beschäftigung und Qualifizierung: Die Auswirkungen des Leichtbaus u. a. auf das Beschäftigungsniveau, die tarifrechtliche Einbindung, den betrieblichen Gesundheitsschutz und die berufliche Weiterbildung sind dezidiert zu diskutieren. Zudem ist, gerade auch bei KMU, der Wissenstransfer zu den Vorteilen von Leichtbau sicher zu stellen, so dass auch gerade diese Unternehmensgruppe von den Vorteilen des Leichtbaus in der betrieblichen Nutzung profitieren
kann. KMU sind bei der Etablierung von veränderten Arbeitsweisen und Prozessinnovationen
zu unterstützen.
•
Umwelt: Leichtbautechnologien können einen wichtigen Beitrag zu Umwelt- und Klimaschutz
durch Ressourceneffizienz leisten (ganzheitliche Lebenszyklusbetrachtung vorausgesetzt, s. o.).
Beispielsweise bietet der Leichtbau im Automobil- und Fahrzeugbau durch die damit einhergehende Gewichtsreduktion ein Potenzial zur Kraftstoffeinsparung.
5
Fazit und Handlungsoptionen
Zielsetzung der Bestandsaufnahme war es, aus techno-ökonomischer Perspektive den Stand und die
wesentlichen Akteure (Stakeholder) im Bereich Leichtbau in Form einer übersichtsartigen Darstellung
zu erarbeiten (siehe Kapitel 2 und 3). Darüber hinaus war damit das Ziel verbunden, im Rahmen eines
diskursiven Prozesses in einem Workshop Leitthemen bzw. Leitfragen für einen möglichen systematischen industriepolitischen Dialog im Themenfeld Leichtbau zu identifizieren (siehe Kapitel 4). Die hier
vorliegende Bestandsaufnahme „Leichtbau In Deutschland“ zeigt sehr deutlich, dass Deutschland
durch den technologischen Vorsprung im Leichtbau im internationalen Wettbewerb insgesamt gut
aufgestellt ist. Dies gegenwärtig vor allem, da der Leichtbau in prägenden Branchen, wie z. B. Automobilbau und Transport sowie Maschinenbau und Produktionstechnik, eine Schlüssel- und
Querschnittstechnologie darstellt. In anderen Industrieländern wie den USA und China sind jedoch
umfangreiche öffentliche und private Investitionen in den Leichtbau zu erkennen, 99 die die derzeitige
internationale Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands in naher Zukunft vor neue Herausforderungen
stellen können. Angesichts solcher Entwicklungen gilt es, heutige und zukünftige Forschungsergebnisse als Basis für die weitere Verstärkung von Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit, Ressourceneffizienz sowie Beschäftigung in der Industrie am Standort Deutschland hinreichend zu nutzen.
Der zusammenfassende Markt- und Technologieausblick auf der Basis der hier ausgewerteten Übersichtsstudien lenkt die Aufmerksamkeit auf folgende relevante Aspekte im Themenfeld Leichtbau:
•
Leichtbau ist aktuell im deutschen Automobil- und Flugzeugbau am stärksten etabliert. Andere
Anwenderbranchen (z. B. die Bauwirtschaft, Windenergie, Maschinenbau) stellen attraktive
Zukunfts- und Wachstumsmärkte dar. Die Wettbewerbsfähigkeit dieser Anwenderbranchen
wird in Zukunft stark davon abhängig sein, wie sie die Vorteile des Leichtbaus für sich nutzen
können.
99
Zur internationalen Bedeutung von Leichtbau wird im Sommer 2015 eine Studie im Auftrag von Leichtbau BW veröffentlicht. Diese Studie hat zum Ziel, geografische Anwendungsmärkte für Leichtbauprodukte und -dienstleistungen zu lokalisieren und möglichst auch zu quantifizieren (hinsichtlich Marktgröße
als auch Marktwachstum bis 2020).
29
•
Der Metall-Leichtbau stellt kurz- bis mittelfristig noch den größten Leichtbaumarkt im Bereich
Automobilbau und Transportsektor dar.
•
In den Konstruktionswerkstoffen Stahl, den Leichtmetallen und den keramischen Verbundwerkstoffen steckt durch Werkstoffmodifikationen und deren Kombinationen sowie durch eine
optimierte Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften ein erhebliches Leichtbaupotential. Vor allem bei den keramischen Faserverbundwerkstoffen nimmt Deutschland weltweit eine führende Position ein. Bei den metallischen Leichtbaumaterialien müssen die Potenziale für Werkstoffinnovationen am Standort Deutschland (z. B. bei neuen hochfesten Stählen und Aluminiumlegierungen) weiter im Fokus bleiben.
•
Faserverbundkunststoffe wie GFK und CFK (z. B. bei Automobil und Windkraft) zeigen gegenwärtig sehr hohe Wachstumsraten und gewinnen mit hoher Wahrscheinlichkeit langfristig
(nach 2020) an Bedeutung, werden aber bis auf weiteres nur eine eher geringere Marktgröße
aufweisen. Zu beachten ist ein derzeitiger Trend hin zu thermoplastischen FVKs, die auch mit
bedeutenden Marktgrößen aufwarten können. Herausforderungen bei der Verbreitung von
CFK sind beispielsweise die Entwicklung kostengünstiger automatisierter Produktionsmethoden und die verstärkte Entwicklung werkstoffgerechter Recyclingtechnologien.
•
Künftig wird der hybride Leichtbau noch stärker im Fokus stehen, der unterschiedliche Werkstoffe kombiniert, beispielsweise Metall, Holz und faserverstärkte Kunststoffe. Hier ist ein
wichtiger Fokus die Entwicklung neuer Füge- und Recyclingtechniken.
•
Eine systematische Betrachtung der Beschäftigungsentwicklung durch Leichtbau in verschiedenen Leichtbaubranchen ist ein wichtiger Baustein für einen möglichen industriepolitischen
Dialog.
•
Im Bereich der beruflichen Aus- und Weiterbildung besteht ein ständiger Handlungsbedarf bei
der Anpassung der Lerninhalte an neue Innovationen. Kurzfristige Lücken werden oft von den
Unternehmen selbst geschlossen. Hier ist ein organisierter Informationsaustausch zwischen
den betroffenen Unternehmen in einzelnen Branchen sicherlich hilfreich.
•
Bei der Entwicklung neuer Werkstoffe ist der Aspekt der Ressourceneffizienz von besonderer
Bedeutung. Dabei ist die immer noch vorhandene starke Fokussierung auf die Nutzungsphase
durch eine ganzheitliche Betrachtung aller Phasen des Lebenszyklus notwendig. Eine Bewertung der Ressourceneffizienz ist nur durch die Betrachtung des jeweiligen Einzelfalls möglich
und sollte systematisch bei der Einführung neuer Werkstoffinnovationen berücksichtigt werden.
•
•
Ein wichtiger Trend mit zunehmender Bedeutung ist der Konzept-Leichtbau.
Leichtbau-Robotik bietet ebenfalls Chancen für das Thema insbesondere bei Industrie
4.0/Smart Factory.
Aus diesen Ergebnissen lassen sich für mögliche industriepolitische Aktivitäten im Themenfeld
Leichtbau beispielhaft folgende Handlungsoptionen zur Stärkung des Standortes Deutschland ableiten, die einen industriepolitischen Dialog Leichtbau begleiten können bzw. durch diesen diskutiert
und bewertet werden müssen: 100
Handlungsoption 1: Die Leistungsfähigkeit des Leichtbaus in Deutschland kann durch die Erarbeitung
eines bundesweiten Kompetenzatlas Leichtbau transparent gemacht und z. B. durch das Aufzeigen
von Anknüpfungspunkten und Kooperationspotenzialen weiter gestärkt werden. Er stellt z. B. sämtli100
Um einen möglichen industriepolitischen Dialog thematisch nicht zu überfrachten, bieten sich zunächst
zwei Phasen an. In einer ersten Phase des Dialogs könnten die Branchen Automobil- und Flugzeugbau
sowie Maschinen- und Anlagenbau im Fokus stehen, in der zweiten Phase des Dialogs die Bauindustrie
und chemische Industrie. Die Berücksichtigung weiterer Branchen könnte in weiteren Dialogphasen erfolgen.
30
che Akteure mit ihren fachlichen Kompetenzen und, darauf basierend, regionale Schwerpunkte im
Themenfeld konzise und gut verständlich dar. Ein sehr gutes Beispiel zur ersten Orientierung bietet
der Kompetenzatlas Leichtbau BW, der per Auftrag allerdings auf das Land Baden Württemberg beschränkt ist. 101 Es bietet sich an, den Kompetenzatlas mit einer Kompetenz- und Dialogplattform
Leichtbau zu verbinden. Über eine solche Plattform könnte z. B. auch der weitere Forschungsbedarf
identifiziert, 102 die Förderung durch die Politik kanalisiert, der Wissenstransfer systematisch ermöglicht und die Entwicklung wirtschaftlich hochriskanter Produkte gefördert werden. Die Verbindung
mit dem Kompetenzatlas würde zum einen die Einbindung der Stakeholder in die Kompetenz- und
Dialogplattform stärken und z. B. auch die Möglichkeit der gezielten Suche nach Partnern für die gemeinsame Projektentwicklung bieten. Darüber hinaus könnten sämtliche Fördermöglichkeiten des
Bundes und der Länder zum Thema Leichtbau im Rahmen einer solchen Plattform sehr übersichtlich
und „auf einen Blick“ dargestellt werden.
Handlungsoption 2: Interdisziplinarität und hohe Integration entlang von Wertschöpfungsketten
bieten beste Voraussetzungen und die größten Chancen für den Technologie- und Innovationsstandort Deutschland. Die Zusammenarbeit beim Multi-Material-Design, im Funktions- und Konzeptleichtbau bis hin zu recyclingfähigen Systemen bietet die Chance, lebenszyklusorientiere Ansätze zu realisieren. Diese Ansätze gilt es systemisch auszubauen. Politik und Förderung können Unternehmen
und Forschungseinrichtungen z. B. durch gezielte Netzwerk-/Clusterbildung bzw. die Einrichtung von
Kompetenz- und Demonstrationszentren branchen- und themenspezifisch unterstützen. Integrierte
Wertschöpfungsketten bieten auch beste Voraussetzungen für die besonders für den Leichtbau erforderliche Optimierung der Supply Chain, vom Zulieferer bis zum OEM über Unternehmensgrenzen
hinweg. Ein digital unterstützter Datenaustausch zwischen KMU und OEM verbessert nicht nur die
Wettbewerbsfähigkeit der gesamten Lieferkette (u. a. verkürzte time-to-market), sondern letztendlich auch das Produkt. Entsprechende Förderprogramme könnten hier auch eine sinnvolle Anknüpfung an die sogenannte Industrie 4.0 bilden.
Handlungsoption 3: Insbesondere KMU haben noch Nachholbedarf bei Informationen zu Leichtbaulösungen. Die Initiierung und Förderung von Produkt- und Prozessinnovationen sowie die Begleitung
der KMU sind erforderlich, damit diese Gruppe weitaus stärker als bisher von den Chancen des
Leichtbaus profitieren kann und selber zu einem zugkräftigen Innovationsmotor im Leichtbau wird.
Die Sensibilisierung und Information von KMU kann über die o. g. Kompetenz- und Dialogplattform
mittels eines Mittelstandsdialog Leichtbau erreicht werden, in dem beispielsweise gemeinsam mit
regional etablierten Akteuren speziell auf den Bedarf der KMU konzipierte Veranstaltungen in der
Region durchgeführt werden und der dabei hilft, die Nutzungsmöglichkeiten im eigenen Unternehmen zu identifizieren. Als zusätzliche Maßnahme könnten Prozess- oder Innovationsberater für die
Entwicklung von KMU finanziell gefördert werden (siehe auch Handlungsoption 6).
Handlungsoption 4: In der Aus- und Weiterbildung gibt es einen Handlungsbedarf sowohl im akademischen als auch im gewerblichen Bereich. Hier sind neue leichtbaurelevante Lerninhalte an Hochschulen und Berufsschulen gefordert. Auch innerbetriebliche Weiterbildung ist wichtig, um die Belegschaften auf die Herausforderungen vorzubereiten. Für das Thema Beschäftigung und Qualifizierung
sind die Auswirkungen des Leichtbaus auf das Beschäftigungsniveau, die tarifrechtliche Einbindung,
den betrieblichen Gesundheitsschutz und die berufliche Weiterbildung daher zukünftig deutlich stärker zu beachten. Dafür bietet sich u. a. eine Studie zu dieser Thematik an, die z. B. Beschäftigungseffekte untersucht, frühzeitig konkrete Qualifizierungsbedarfe identifiziert und Handlungsmöglichkeiten erörtert und deren Ergebnisse im Rahmen eines industriepolitischen Dialogs zum Themenfeld
Leichtbau diskutiert werden könnte.
101
102
Leichtbau BW (2015b)
In Kapitel 2.3 wurde bereits auf eine der sehr wenigen diesbezüglichen Studien der Landesagentur für
Elektromobilität Baden-Württemberg verwiesen, die eine vergleichende Ökobilanzierung der drei bedeutendsten Leichtbaumaterialien Stahl, Aluminium und CFK beinhaltet.
31
Handlungsoption 5: Die Expertenkommission Forschung und Innovation (EFI) hat in ihrem aktuellen
Gutachten (2015) u. a. festgehalten, dass ein im Hochschulsektor besonders diskutierter Innovationsansatz die sogenannten MOOCs sind. 103 „Dabei steht MOOCs für Massive Open Online Courses,
also für Kurse mit meist sehr großen Teilnehmerzahlen, die online angeboten werden und weltweit
interessierten Nutzern offen stehen.“ In einem industriepolitischen Dialog zum Thema Leichtbau
könnte u. a. thematisiert werden, ob und wie MOOCs in Zukunft stärker für den Bildungsstandort
Deutschland im Themenfeld Leichtbau genutzt werden könnten, weil sie z. B. eine wichtige und sinnvolle Ergänzung des Lehr- und Forschungsinstrumentariums der Hochschulen darstellen und ggf.
bereits im Arbeitsleben stehende Zielgruppen besser erreichen können und damit einen wesentlichen Impuls für lebenslanges Lernen bieten. 104
Handlungsoption 6: Wie vielfach in Bereichen innovativer Technologien finden auch im Leichtbau
Ideen aus der akademischen Welt oft nur schwer den Weg in die Betriebs-Realität, in die Welt der
Produkte. Es fehlt ein passender „Transmissionsriemen“, der diesen Prozess vorantreibt. Mögliche
Abhilfe könnten Förderprogramme für Innovationsberater oder -agenturen sein, oder die initiale
Unterstützung von Initiativen zur Entwicklung von Prozessberatungen als kommerzielle Dienstleistung, die dann allein durch Marktinteressen zu einer Verbreitung von z. B. Methoden-Know-how
führt. Dabei ist zu prüfen, inwieweit bestehende öffentliche Förderprogramme und Dienstleistungsstrukturen genutzt werden können.
Alle hier dargestellten Handlungsoptionen stellen mögliche zusätzliche bzw. neue Bestandteile einer
modernen Industriepolitik dar, deren Notwendigkeit im Kontext des Koalitionsvertrags, der neuen
Hightech-Strategie (HTS) der Bundesregierung und von Ressourceneffizienz betont wird. In der neuen
HTS wird explizit festgehalten, dass „es für Deutschland (wichtig ist, d. V.), Wissensvorsprünge für
mehr Wachstum und Wohlstand zu erarbeiten und neue Erkenntnisse rasch zu verbreiten und anzuwenden. Dies erfordert einen umfassenden Dialog zwischen Wissenschaft, Wirtschaft, Gesellschaft
und Politik. Erst das Zusammenwirken aller Akteure ermöglicht, dass aus Neugier Ideen und aus
Ideen Innovationen für wettbewerbsfähige und nachhaltige Produkte und Dienstleistungen werden.“ 105 Dieser dialogische industriepolitische Ansatz verheißt auch für das Themenfeld Leichtbau
deutliche Fortschritte in Bezug auf Wettbewerbsfähigkeit, Beschäftigung und Ressourceneffizienz,
wenn die in dieser Bestandaufnahme identifizierten systemischen Fragestellungen frühzeitig behandelt werden.
103
104
105
EFI (2015), S. 50ff.
Diese Handlungsoption wurde auch im Workshop hervorgehoben.
Bundesregierung (2014), S. 10
32
6
Literatur- und Quellenverzeichnis
AiF (2015): Allgemeine Übersichtswebseite des AiF/DFG-Cluster "Leichtbau und Textilien", AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V., Köln. Abrufbar
unter: www.aif.de/home/detailansicht/news/aifdfg-cluster-leichtbau-und-textilien.html (Abgerufen
am 28.04.2015)
ARENA2036 (2015): Allgemeine Übersichtswebseite und Unterseiten, ARENA2036 e.V., Stuttgart.
Abrufbar unter: www.arena2036.de/de/ (Abgerufen am 28.04.2015)
ATL (2015): Allgemeine Übersichtswebseite Allianz Textiler Leichtbau (ATL), Technische Universität
Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau, Chemnitz. Abrufbar unter: www.leichtbau.tuchemnitz.de/atl.php (Abgerufen am 28.04.2015)
AVK und CCeV (2014): Carbon Composites Composites-Marktbericht - Marktentwicklungen, Trends,
Ausblicke und Herausforderungen, Carbon Composites e.V. (CCeV) und AVK – Industrievereinigung
Verstärkte Kunststoffe e.V. (Hrsg.), Frankfurt/Main, Oktober 2014. Abrufbar unter: www.carboncomposites.eu/sites/carbon-composites.eu/files/anhaenge/14/10/28/ccev-avkmarktbericht_2014_deutsch.pdf (Abgerufen am 28.04.2015)
Bayer, F. (2011): Leichtbau im Fahrzeugbau "Leichte Metalle", Fertigungsverfahren und Potenziale
für die Automobilbranche in: Technologien der Fertigungsautomatisierung - Seminarreihe zu ausgewählten Forschungsthemen der industriellen Anwendung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich
(Hrsg.), Siegen, ISSN 2195-9986. Abrufbar unter: https://wiki.zimt.unisiegen.de/fertigungsautomatisierung/index.php/Fertigungsverfahren (Abgerufen am 28.04.2015)
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Düsseldorf. Abrufbar unter: www.stahl-online.de/ (Abgerufen am 28.04.2015)
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38
7
Technische Abkürzungen
Al
Aluminium
Al2O3 Aluminiumoxid
CO2
Kohlendioxid
CFK
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe
CMC Ceramic Matrix Composites (Keramische Faserverbundwerkstoffe)
GFK Glasfaserverstärkte Kunststoffe
FVK
Faserverstärkte Kunststoffe
MMS Multimaterialsystem
OEM Original Equipment Manufacturer (Erstausrüster)
SiC
Siliziumcarbid
SiO2 Siliziumoxid
39
8
Anhang: Workshop Leichtbau in Deutschland
8.1
Allgemeine Informationen
Termin:
3. März 2015, 13.00 – 16.15 Uhr
Ort:
IG-Metall Büro, Alte Jakobstraße 149, 10969 Berlin
Veranstalter:
VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH und VDI Technologiezentrum GmbH,
beauftragt durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Moderation:
Dr. Norbert Malanowski, VDI Technologiezentrum GmbH
Ausgangssituation: Leichtbau ist zu einem überaus beachteten Thema in der Industrie am Standort
Deutschland geworden. Für viele Industrien, wie z. B. den Automobil- und Flugzeugbau oder den
Holzbau, hat er bereits eine große Bedeutung. Leichtbau hat vor allem die Einsparung von Rohstoffen, Kosten und CO2-Ausstoß bei Herstellung und Nutzung eines Produkts zum Ziel. Vor dem Hintergrund, dass Deutschland in der Produktion und bei Produktionstechniken global noch gut aufgestellt
ist, gilt es durch eine systematische Bestandaufnahme des Leichtbaus in Deutschland, die gewonnen
Erkenntnisse als Basis für die weitere Verstärkung der Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit in der
Industrie gezielt zu nutzen.
Ziele des Workshops: Vorstellung der bisherigen Ergebnisse aus der „Bestandsaufnahme Leichtbau in
Deutschland“, Diskussion der Ergebnisse mit relevanten Akteuren, Erarbeitung von Leitfragen und
Handlungsfeldern für einen möglichen industriepolitischen Dialog zum Thema „Leichtbau“.
8.2
Agenda
Arbeitsschritt
Zeit
Inhalt
Einführung
13.00
Begrüßung
Anlass und Hintergrund des Workshops
Vorstellungsrunde
(Arbeitsschwerpunkte
bau/Erwartungen an den Workshop)
im
Feld
Leicht-
Einführung in den Ablauf des Workshops
Präsentation und 13.30
Diskussion
Präsentation „Bestandaufnahme Leichtbau in Deutschland“
Dr. Martin Vogt, VDI Zentrum Ressourceneffizienz
13.50
Diskussion der Ergebnisse
14.15
PAUSE und Möglichkeit zum Netzwerken
Themenfindung
14.45
Gemeinsame Identifizierung konkreter Leitfragen und Handlungsfelder für einen möglichen industriepolitischen Dialog zum Thema
Leichtbau
Fazit
16.00
Feedback der Teilnehmer und weitere Schritte
16.15
Ende der Veranstaltung
40
8.3 Teilnehmerliste
Name
Organisation
Dipl.-Ing. Michael Braun
Salzgitter AG
Dr. Ing. Peter Dahlmann
Stahlinstitut VDEh
Alfred Dennenmoser
Pfleiderer Leutkirch GmbH
Brigitte Doeth
IG Metall
Frank Hein
Hydro Aluminium GmbH
Konrad Klingenburg
IG Metall
Dr. Matthias Konrad
Bayern Innovativ
Thomas Lehne
Salzgitter AG
Werner Maass
VDI ZRE GmbH
Dr. Norbert Malanowski
VDI TZ GmbH
Dr. Gunnar Merz
CFK Valley, Stade
Dr. Margaretha Neudecker
BMWi
Heiko Reese
IG Metall
Dr. Wolfgang Seeliger
Leichtbau BW
Dr. Martin Vogt
VDI ZRE GmbH
Thomas Zuleger
BMWi
41

Bestandsaufnahme Leichtbau in Deutschland

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