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Dossier - Schlüsseltechnologien

Leichtbau

Einleitung

Leichtbau bedeutet erst einmal: Weniger Masse. Aber Leichtbau kann noch mehr, denn gegenüber herkömmlichen Produkten weisen Leichtbauprodukte oft bessere Produkteigenschaften auf. Dank durchdachter Funktionsintegration, einer last- und werkstoffoptimierten Konstruktion sowie dem Einsatz leichterer Materialien vereint Leichtbau moderne Produktionsprozesse und geringere Kosten mit einem schonenden Umgang mit Ressourcen und verbesserter Funktionalität.

Leichtbau zählt zu den Schlüsseltechnologien, denn die Prinzipien des Leichtbaus begleiten eng den technischen Fortschritt. Gewicht wird dabei nicht nur durch den Einsatz leichterer Materialien gespart, sondern auch durch die Integration von Funktionen und eine last- und werkstoffgerechtere Konstruktion. Da sowohl die Materialien als auch die Konstruktions-, Füge- und Fertigungsverfahren kontinuierlich neu- und weiterentwickelt werden, entstehen Güter mit gleichen oder sogar verbesserten Eigenschaften gegenüber dem ursprünglichen Produkt. Im Zusammenspiel mit Digitalisierung und Bionik eröffnen sich neue Zukunftsmärkte.

Leichtbau wird heute bereits vielfältig eingesetzt. Innovationstreiber sind die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobil- und Transportindustrie: Jedes eingesparte Kilogramm bedeutet ein Kilogramm mehr Nutzlast. 100 Kilogramm weniger Gewicht reduziert den Kraftstoffverbrauch eines Autos um circa 0,5 Liter pro 100 Kilometer, und auch für Elektrofahrzeuge bedeutet jedes eingesparte Kilogramm mehr Reichweite. Bei einem Airbus A 320 entsprechen 100 Kilogramm weniger Gewicht fast 10.000 Liter weniger Kerosin pro Flugzeug und Jahr. Aber auch in der Bau-, Freizeit- und Sportindustrie, der maritimen Wirtschaft und der Medizintechnik wird diese Zukunftstechnologie immer bedeutsamer.

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Was ist Leichtbau?

© Initiative Leichtbau

Leichtbau reduziert Kosten und schont die Ressourcen

Die Herstellung von Leichtbauprodukten kann über einen geringeren Materialeinsatz zu geringeren Kosten und verbesserten Funktionalitäten führen. Die geringere Masse bewirkt zudem, dass während der Nutzung des Leichtbauproduktes weniger Energie verbraucht und CO2-Emissionen gesenkt werden. Ein weiteres Einsparen von Ressourcen und auch Energie lässt sich durch neue Produktionstechniken erreichen. Die einzelnen Materialien und verschiedenen Leichtbautechnologien lassen sich vielfältig miteinander kombinieren.

Leichtbau vereinigt auf idealtypische Weise drei Dimensionen der Nachhaltigkeit, da hier ökonomische, ökologische und soziokulturelle Anforderungen in Einklang gebracht werden: Eine moderne, digitale Produktentwicklung und Produktion mit geringeren Kosten geht Hand in Hand mit dem verantwortungsvollen Umgang mit Ressourcen, Energie und Klima und nicht zuletzt einer hohen Funktionalität.

Zahlen und Fakten zum Leichtbau

44,3
Symbolicon für Münzen

Prozent
der Kosten im verarbeitenden Gewerbe entfallen auf Materialien

10.000
Symbolicon für Flugzeug

Liter
Kerosin spart ein A 320 im Jahr durch 100 kg weniger Material

1.031
Symbolicon für Deutschlandkarte

gelistete Leichtbau-Vorhaben
führt der Förderkatalog des Bundes

22
Symbolicon für Tortendiagramm

Prozent
der kleinen und mittleren Betriebe nutzen Leichtbaumaterialien

Zukunft Leichtbau

Neue Herausforderungen des Leichtbaus

Leichtbau bedeutet eine neue Dimension der Organisation und Steuerung der Wertschöpfungskette über den gesamten Lebenszyklus eines Produktes. Die damit verbundenen Umwälzungen führen dazu, dass sich Arbeitsprozesse und Arbeitsorganisation grundlegend verändern.

Die Revolution beginnt beim Leichtbau nicht erst in der Produktionshalle, sondern setzt bereits bei der Produktentwicklung an. Verallgemeinernd kann man sagen, dass branchenübergreifend in allen wettbewerbsfähigen Produkten der Zukunft Leichtbau enthalten ist, auch wenn es nicht ausdrücklich „draufsteht“. Gleichzeitig ist die grundlegende Änderung der Produktionsprozesse eine der größten Herausforderungen, die im Zusammenhang mit diesem Thema zu bewältigen sind.

Neue Materialien erfordern eine Erprobungszeit und fast immer neue Fertigungsverfahren. Dabei ist wichtig, dass diese Verfahren standardisiert werden und eine Serienherstellung ermöglichen. Besonders der Automobilbau fordert hohe Taktraten bei der Serienproduktion. Mögliche Zusatzkosten bei der Produktherstellung müssen zu signifikanten Einsparungen in der Nutzungsphase führen. Nur so lässt sich ein höherer Verkaufspreis für den Endverbraucher rechtfertigen.

Nachhaltigkeit durch geschlossene Rohstoffkreisläufe

Je mehr unterschiedliche Materialien in einem Produkt verbunden sind, desto anspruchsvoller wird auch die Wiedergewinnung der Wertstoffe für den Produktionsprozess. Bereits beim Entwurf oder der Neugestaltung eines Produktes müssen alle Prozesse von der Konstruktion, Fertigung, Nutzung bis zur Wiederverwendung durchdacht sein. Das Ziel müssen geschlossene Rohstoffkreisläufe sein, die die wertvollen und teilweise auch seltenen Materialien wieder dem Produktionsprozess zuführen. Auf diesem Feld besteht weiterhin Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

Die Herstellung, Verarbeitung und Wartung beziehungsweise Reparatur von Produkten aus neuen Materialien sind anspruchsvoll und erfordern hohe Fachkenntnisse, die nur mit entsprechend angepasster Aus- und Weiterbildung sowie Erfahrung erlangt werden können. Daher müssen Lehre und Praxis von Leichtbaumethoden und -werkstoffen erheblich stärker in die allgemeine Schul- und Berufsausbildung und in die akademische Aus- und Weiterbildung integriert werden.

Trotz dieser Herausforderungen gilt es, das enorme Potenzial des Leichtbaus für den Wirtschaftsstandort Deutschland bestmöglich zu nutzen.Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) hat dazu eine Reihe von Maßnahmen auf den Weg gebracht.

Frau an einem Monitor zum Thema Industrie 4.0; Quelle: Getty Images/Bloomberg

© Getty Images/Bloomberg

Digitale Transformation in der Industrie

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Initiative Leichtbau

Unternehmen bei der Umsetzung des Leichtbaus unterstützen

Das Bundeswirtschaftsministerium unterstützt den technologieübergreifenden und effizienten Wissenstransfer zwischen den verschiedenen, bundesweiten Akteuren beim Leichtbau. Mit der Initiative Leichtbau haben Unternehmerinnen und Unternehmer bundesweit einen zentralen Ansprechpartner für alle relevanten Fragen. Gezielte Fördermaßnahmen und das Forum Leichtbau runden das Angebot ab.

Der Leichtbau ist für viele Branchen zur Sicherung ihrer Wettbewerbsfähigkeit und zur nachhaltigen Modernisierung des Industriestandortes von entscheidender Bedeutung. Deshalb baut das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie die Förderung dieser Zukunftstechnologie konsequent weiter aus. Mit der Geschäftsstelle Leichtbau und dem Forum Leichtbau haben Unternehmerinnen und Unternehmer kompetente Ansprechpartner und eine Plattform zur technologieneutralen und branchenübergreifenden Vernetzung.

Ansprechpartner für Unternehmen: Die Geschäftsstelle Leichtbau

Die Geschäftsstelle Leichtbau (Organigramm (PDF, 182KB)) unterstützt als nationaler und internationaler Netzwerkknotenpunkt deutsche Unternehmen, insbesondere den Mittelstand, bei der Umsetzung des Leichtbaus und begleitet den branchenübergreifenden Technologietransfer - von der die Flankierung von Initiativen bis hin zu einer breiteren industriellen Anwendung des Leichtbaus und seiner Großserientauglichkeit.

Als zentraler Anlaufpunkt für interessierte Akteure aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik koordiniert die Geschäftsstelle Leichtbau die Gestaltung des digitalen Strukturwandels der Industrie im Hinblick auf Leichtbau in Deutschland. Mit praktischen Handlungsempfehlungen und Best-Practice-Beispielen für Unternehmen und Politik sowie individueller Hilfestellung gibt sie entscheidende Impulse und aktiviert geeignete Multiplikatoren zur Unterstützung der Öffentlichkeitsarbeit. Fachkooperationen auf nationaler und internationaler Ebene tragen dazu bei, den Leichtbaustandort Deutschland national und international zu vertreten.

Plattform für Wissenstransfer: Das "Forum Leichtbau"

Gemeinsam mit der GTAI (Germany Trade and Invest) veranstaltet das BMWi regelmäßig einen Runden Tisch "Forum Leichtbau". Das Forum dient als Plattform für den technologieübergreifenden und effizienten Wissenstransfer zwischen den verschiedenen, bundesweiten Akteuren. Im Mittelpunkt stehen technologische Trends, die Aktivitäten des Bundes und der Bundesländer sowie die Chancen und Risiken auf Auslandsmärkten. Weitere Informationen erhalten Sie unter der E-Mail-Adresse: leichtbau@bmwi.bund.de.

Die nächste Sitzung des "Forums Leichtbau" ist für den 25. Oktober 2017 anberaumt.

Förderausschreibungen

Mit der Fördermaßnahme „r+Impuls – Innovative Technologien für Ressourceneffizienz – Impulse für industrielle Ressourceneffizienz“ im Rahmenprogramm „Forschung für nachhaltige Entwicklungen (FONA)“ verfolgt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Ziel, durch gezielte FuE-Impulse bestehende Hemmnisse bei der Entwicklung und Verbreitung von industriellen Effizienztechnologien zu überwinden. Gleichzeitig trägt die Fördermaßnahme zur Umgestaltung der Wirtschaft zu einer „Green Economy“ bei. Die Einreichungsfrist ist jeweils der 17. Juli 2017 oder der 17. Juli 2018. Weitere Informationen zur Ausschreibung finden Sie hier.

Pipette und Reagenzgläser zum Thema Innovationspolitik; Quelle: Getty Images/Andrew Brookes

© Getty Images/Andrew Brookes

Innovationspolitik

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Leichtbauatlas

Leichtbaukompetenz in Deutschland auf einen Blick

Deutschland ist beim Thema Leichtbau gut aufgestellt. Wie gut, zeigt der interaktive Leichtbauatlas: Er vernetzt die einzelnen Akteure aus Forschung, Entwicklung und Anwendung und unterstützt so den Technologietransfer – bundesweit, technologieneutral, branchenübergreifend.

Der Leichtbauatlas macht den Leichtbaustandort Deutschland über ein interaktives Portal erstmals sichtbar und bietet Wirtschaft und Wissenschaft die Möglichkeit, sich zu vernetzen. In enger Zusammenarbeit mit allen wichtigen Akteuren wurde ein etwa 250 Kriterien umfassender Katalog erarbeitet, mit dem sich Anbieter oder Partner gezielt ermitteln lassen. Ergänzende Unterstützung bieten die Freitextsuche und die Deutschlandkarte.

Das interaktive und kostenfreie Portal präsentiert übersichtlich die leichtbaurelevanten Kompetenzen in Deutschland und ist offen für Organisationen, die ihre Verfahren und Aktivitäten auf den Leichtbau fokussiert haben und mit hoher Reichweite präsentieren wollen. Dabei ist der Leichtbauatlas material- und technologieübergreifend sowie branchenneutral aufgestellt und bietet über einen umfangreichen Kriterienfilter sowie die Suchfunktion die Möglichkeit, gezielt nach Anbietern oder Partnern zu suchen. Registrierte Organisationen können einen eigenen Profilsteckbrief anlegen und veröffentlichen.

Schlüsseltechnologien

Leichtbautechnologien

Leichtbau im Überblick

Es existieren verschiedene Leichtbautechnologien, die oft miteinander kombiniert werden. Dank Funktionsintegration, last- und werkstoffgerechter Konstruktionen und dem Einsatz leichterer Materialien kann Leichtbauweise kostengünstige und flexible Alternativen für viele Einsatzgebiete bieten.

Die Herstellung von Leichtbauprodukten kann über einen geringeren Materialeinsatz zu geringeren Kosten und verbesserten Funktionalitäten führen. Stoffleichtbau, Formleichtbau und funktionsintegrierter Leichtbau ergänzen einander, sodass Rohstoffe, Kosten und Energie optimal genutzt werden.

Stoffleichtbau

Hier werden schwere Materialien mit hoher Dichte durch leichtgewichtigere Materialien, wie zum Beispiel Leichtmetalle (Aluminium, Titan, Magnesium) oder Faserverbundwerkstoffe (Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK), Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK)) ersetzt. Besonders effizient wird der Stoffleichtbau, wenn je nach Belastung und Funktion unterschiedliche Materialien kombiniert werden. In diesem Fall spricht man vom hybriden beziehungsweise Multimaterialleichtbau.

Formleichtbau

Unter Formleichtbau werden komplexe Strukturen verstanden, die durch die Optimierung der räumlichen Anordnung (Topologie) von Verstärkungen oder Verstrebungen erreicht werden. Diese orientieren sich oft an Konstruktionsprinzipien der Natur, die unter dem Begriff Bionik zusammengefasst werden. Hierzu gehört beispielsweise die Form der sechseckigen Bienenwaben oder der lastoptimierte Aufbau von Knochen. Diese Formen können oftmals nur mit erheblichem Aufwand durch klassische Verfahren wie Gießen oder Fräsen hergestellt werden. Moderne additive Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck erschließen völlig neue Formen und Designs für leichtere und leistungsfähigere Produkte.

Funktionsintegrierter Leichtbau

In Tragstrukturen können weitere Funktionen integriert werden. Diese Funktionen können dann an anderer Stelle eingespart werden. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, durch additive Verfahren Kühlstrukturen im Bauteil zu erzeugen, statt von außen anzubringen. Von Funktionsintegration wird im Leichtbau auch gesprochen, wenn elektrisch leitenden Materialien wie Kupfer und Aluminium in Faserverbundwerkstoffe integriert und zusätzliche Leitungen eingespart werden können. Durch Funktionsintegration entfallen Aufwendungen für das Material und die Montage.

Meldung

  • 30.11.2016 - Meldung - Schlüsseltechnologien

    Leichtbaukompetenz made in Germany: BMWi veröffentlicht interaktiven Leichtbauatlas

    Öffnet Einzelsicht

Publikation

Weiterführende Informationen

Nahaufnahme von Wabenstruktur aus Metall zum Thema Leichtbau

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