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Artikel - 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 von Ressourcen und verbesserter Funktionalität.

Leichtbau zählt zu den Schlüsseltechnologien.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 ist ein Treiber für Ressourcen- und Energieeffizienz.

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

43,2
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 mit Simulation und digitalem Design, z. B. als digitaler Zwilling, 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 - idealerweise anhand von über Jahrmillionen bewährten Vorbildern aus der Natur, sogenannten bionischen Strukturen - 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 industriepolitische 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.

Roboterarm zum Thema Industrie 4.0

© Nay/stock.adobe.com

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 und deren diversen Gremien und Vernetzungs-Tools haben Unternehmerinnen und Unternehmer bundesweit einen zentralen Ansprechpartner für alle relevanten Fragen. Gezielte Fördermaßnahmen und das Forum Leichtbau runden das Angebot ab.

Für die Wettbewerbsfähigkeit vieler Branchen und die nachhaltige Modernisierung des Industriestandortes Deutschland ist Leichtbau von entscheidender Bedeutung. Deshalb baut das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie die Förderung dieser Zukunftstechnologie konsequent weiter aus.

Ansprechpartner für Unternehmen: Die Geschäftsstelle Leichtbau

Die Geschäftsstelle Leichtbau (Organigramm (PDF, 124 KB)) unterstützt als nationaler und internationaler Netzwerkknotenpunkt deutsche Unternehmen, insbesondere den Mittelstand, bei der Umsetzung des Leichtbaus und begleitet den branchenübergreifenden Technologie- und Wissenstransfer - von der 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"

Das BMWi veranstaltet regelmäßig einen Runden Tisch. Das "Forum Leichtbau" 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. Das 8. Treffen des "Forums Leichtbau" findet im Frühjahr 2021 statt.
Weitere Informationen erhalten Sie unter der E-Mail-Adresse: leichtbau@bmwi.bund.de.

Zahlen und Fakten zum Leichtbau

149,5
Symbolicon für Geld

Millionen Euro
Fördermittel für Werkstofftechnologien im Mittelstand hat das Bundeswirtschaftsministerium seit 2015 bewilligt

11
Symbolicon für Bürogebäude in Deutschland

Prozent
der bewilligten Projekte im Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) befassen sich mit Werkstofftechnologien

0,5
Symbolicon für Bus

Liter
Benzin kann ein Fahrzeug auf 100 km sparen, wenn es 100 kg weniger wiegt

300
Symbolicon für Geld

Millionen Euro
stellt das Bundeswirtschaftsministerium in den nächsten 10 Jahren für Wissens- und Technologietransfer zum Leichtbau bereit

Förderprogramme

Förderprogramme

Technologietransfer-Programm Leichtbau (TTP LB)

Das Technologietransfer-Programm Leichtbau (TTP LB) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert den branchen- und materialübergreifenden Wissens- und Technologietransfer im Leichtbau. Ziel ist, den Leichtbau als Innovationstreiber für nachhaltiges, ressourcenschonendes Wirtschaften zu etablieren und den Wissens- und Technologietransfer in der unternehmerischen Praxis zu verbessern. Das TTP LB sieht fünf Förderlinien vor, die unter anderem Schwerpunkte auf Technologieentwicklung, CO2-Einsparung und Ressourceneffizienz setzen. Eine wichtige Grundlage für die Erarbeitung des TTP LB war unter anderem eine Ex-ante Evaluierung, die im Auftrag des BMWi durchgeführt wurde. Mehr.

Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

Das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) bildet das Basisprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) für die marktorientierte Technologieförderung der innovativen mittelständischen Wirtschaft in Deutschland. Mehr.

WIPANO

Innovationen, also neue Produkte und Dienstleistungen, sind die Triebfeder des Erfolges der deutschen Wirtschaft. Sie müssen möglichst bekannt sein und möglichst breit genutzt werden können, um auf dem Markt Fuß zu fassen. Ziel der Innovationspolitik des BMWi ist daher nicht nur die Förderung des Entstehens von Innovationen, sondern auch deren rasche Verbreitung - durch Wissens- und Technologietransfer.
"WIPANO - Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen" setzt genau hier an: Zum einen wird durch eine effiziente Sicherung und Nutzung von Geistigem Eigentum die wirtschaftliche Verwertung von innovativen Ideen und Erfindungen aus öffentlicher Forschung und die Nutzung des kreativen Potentials insbesondere kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) unterstützt. Zum anderen wird die Überführung neuester Forschungsergebnisse in Normen und Standards gefördert.
Des Weiteren werden KMU für eine Mitarbeit in Normungs- und Standardisierungsausschüssen bzw. in nationalen und internationalen Gremien unterstützt. Mehr.

BMWi-Innovationsgutscheine (go-Inno)

Mit den BMWi-Innovationsgutscheinen werden externe Management- und Beratungsleistungen zur Vorbereitung und Durchführung von Produkt- und technischen Verfahrensinnovationen in Unternehmen mit technologischem Potenzial durch autorisierte Beratungsunternehmen gefördert. Die Förderung erfolgt grundsätzlich ohne thematische Einschränkung auf bestimmte Technologien, Produkte, Branchen oder Wirtschaftszweige. Voraussetzung ist allein, dass das Unternehmen weniger als 100 Beschäftigte hat und der Jahresumsatz höchstens 20 Millionen Euro beträgt. Mehr.

Start-up-Förderung des BMWi zahlt sich aus

Mit dem EXIST-Programm fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie die Gründung von High-Tech Start-ups aus der Wissenschaft. Nach der Gründung stehen mit dem German Accelerator weitere Unterstützungsmöglichkeiten für die Internationalisierung und Marktexpansion zur Verfügung. Wie erfolgreich diese Aktivitäten sind, zeigt sich am Beispiel der Celonis SE. Mehr.

KMU-Innovativ (BMBF)

Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) gehören in vielen Bereichen der Spitzenforschung zu den Vorreitern des technologischen Fortschritts. Das BMBF möchte daher mit "KMU-innovativ" die Beantragung und Bewilligung von Fördermitteln für KMU vereinfachen. Gefördert werden u.a. Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zu nachhaltigem Umgang mit Rohstoffen und Materialien und Materialien für ein zukunftsfähiges Bauwesen und Infrastruktur. Mehr.

Vom Material zur Innovation (BMBF)

Das Programm bietet gezielte Unterstützung sowohl für neue Materialentwicklungen für ganz unterschiedliche Produktspektren als auch für den spezifischen Bedarf an Werkstofftechnologien in den Anwendungsfeldern. Da auf dem Weg vom Material zum Produkt häufig die Prozess- und Fertigungstechniken entscheidend für die Werkstoffeigenschaften und die späteren Produktkosten sind, werden sich die geförderten Projekte innerhalb des gesamten Wertschöpfungsnetzwerks orientieren: von der Herstellung der Grundstoffe über die Verarbeitung der Werkstoffe bis zur Anwendung in Bauteilen und Systemen. Die Förderung richtet sich an Kooperationsprojekte zwischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen. Insbesondere sollen kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) noch stärker als bisher in den Innovationsprozess eingebunden sowie wissenschaftliche Nachwuchskräfte qualifiziert werden. In den Förderprojekten müssen die Aspekte der Nachhaltigkeit berücksichtigt und eine klare Verwertungsstrategie von FuE-Ergebnissen für neue Produkte oder Verfahren erkennbar werden. Mehr.

Forschungsinitiative "Zukunft Bau" (BMI)

Gegenstand der Förderung sind Forschungs- und Entwicklungsleistungen in der angewandten Gebäudeforschung. Das Programm richtet sich an alle Institutionen und Unternehmen, die sich mit der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet des Bauwesens befassen. Zu den Forschungsschwerpunkten gehören auch neue Materialien und Techniken sowie Bauqualität, Ressourceneffizienz, Kreislaufwirtschaft, Nachhaltiges Bauen. Mehr.

Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert wissenschaftlich-technische Forschungs- und Entwicklungsvorhaben, die durch Forschungsvereinigungen als repräsentative Vertretungen von Unternehmen einer Branche oder eines Technologiefeldes gemeinsam und vorwettbewerblich organisiert werden. Die allen Unternehmen zugänglichen Ergebnisse dienen insbesondere dem Ausgleich größenbedingter Nachteile kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) im Bereich Forschung und Entwicklung und tragen so zu deren Wettbewerbsfähigkeit bei. Im Rahmen der IGF können KMU ihre gemeinsamen Probleme durch gemeinsame Forschungsaktivitäten lösen. Dies ermöglicht es einer großen Anzahl mittelständischer Unternehmen, von Forschungsergebnissen zu profitieren, die jedes für sich allein nicht hätte erzielen können. Mehr.

Formeln an einer Tafel zum Thema Innovationspolitik; Quelle: stock.adobe.com – pict rider

© stock.adobe.com – pict rider

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. Immer mehr Leichtbau-Partner aus Europa und weltweit nutzen dieses in deutscher und englischer Sprache verfügbare digitale Tool.

Der LEICHTBAUATLAS macht den Leichtbaustandort Deutschland über ein interaktives Portal 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 und zielgruppenspezifisch 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.

Kompetenzkarten des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)

Die interaktiven Kompetenzkarten ermöglichen es, Akteure aus den Bereichen Industrie, Forschung, Aus- und Weiterbildung sowie Technologietransfer nach Regionen, Anwendungs- und Technologiefeldern zu recherchieren und in übersichtlichen Landkarten darzustellen. Zoomfunktionen erlauben die Darstellung einzelner Bundesländer. Jede Institution ist mit einem eigenen Eintrag vertreten, der Kontaktdaten sowie Kurzprofile über das Forschungs- und Tätigkeitsspektrum beinhaltet.

Werkstoffkarte: Forschung und Innovation

Wer forscht in Deutschland auf dem Gebiet der Werkstoffe? Einen Überblick zu Forschungsinstitutionen und Unternehmen sowie Ansprechpartnern finden Sie hier.

Werkstoffkarte: Aus- und Weiterbildung

Wo finde ich Studienplätze und Schülerpraktika zu Werkstofftechnologien in Deutschland? Infos und Ansprechpartner finden Sie hier.

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. Durch Funktionsintegration entfallen Aufwendungen für das Material und die Montage.

Pressemitteilungen

  • 09.04.2020 - Pressemitteilung - Schlüsseltechnologien

    Neues Förderprogramm zum Technologietransfer – Meilenstein zur Stärkung des Leichtbaus in Deutschland

    Öffnet Einzelsicht
  • 13.09.2018 - Pressemitteilung - Schlüsseltechnologien

    6. Forum Leichtbau: Mit Nachhaltigkeit den Industriestandort Deutschland stärken

    Öffnet Einzelsicht

Infobriefe der Initiative Leichtbau

Weiterführende Informationen

Nahaufnahme von Wabenstruktur aus Metall zum Thema Leichtbau