GFK-Blattfedern und Faserverbund-Federn: der bessere Energiespeicher im Fahrwerk

Ob Blatt- oder Schraubenfeder: Eine Fahrwerksfeder hat nur eine Aufgabe – Stöße aufnehmen, die Energie kurz zwischenspeichern und kontrolliert wieder abgeben. Genau bei dieser Aufgabe spielt der Faserverbund seine Werkstoffphysik aus. Während der Karosserie-Leichtbau oft um einzelne Prozente ringt, ersetzen GFK-Blattfedern ihre Stahl-Pendants regelmäßig bei 60 bis 85 Prozent Gewichtsersparnis – die schwierigere Schraubenfeder schafft gut 40 Prozent – und halten in Ermüdungstests dabei deutlich länger durch.

Warum GFK der bessere Energiespeicher ist

Wie viel elastische Energie ein Werkstoff je Kilogramm speichern kann, hängt an drei Größen: Die Festigkeit muss hoch sein, damit die Feder große Spannungen erträgt; der Elastizitätsmodul – die Steifigkeit des Werkstoffs – sollte niedrig liegen, damit sie sich weit verformen kann; und die Dichte muss klein sein, damit das Ganze wenig wiegt. Glasfaserverstärkter Kunststoff erfüllt alle drei Bedingungen gleichzeitig. Ein unidirektionales E-Glas-Epoxid-Laminat mit hohem Faservolumenanteil, wie es in Federn steckt, erreicht in Faserrichtung:

• Zugfestigkeit 800 bis 1.200 N/mm² – das Niveau hochfester Stähle,
• Elastizitätsmodul 35.000 bis 45.000 N/mm² – deutlich nachgiebiger als Stahl,
• Dichte 1,8 bis 2,1 g/cm³ – nur ein Bruchteil der Stahldichte.

Wichtig ist die Trennung zwischen Faser und Laminat: Die E-Glas-Faser selbst liegt mit rund 72.000 bis 76.000 N/mm² Elastizitätsmodul (typisch etwa 73.000 N/mm²) knapp doppelt so hoch wie das fertige Laminat, in dem Harzanteil und Lagenaufbau die Kennwerte verdünnen – wer beide Ebenen vermengt, produziert scheinbare Widersprüche. Ausgerechnet die im Vergleich mit Carbon oft als Schwäche gelesene Nachgiebigkeit von E-Glas wird in der Feder zum Vorteil: Die hohe Bruchdehnung der Glasfaser von 3 bis 4 Prozent liefert den Verformungsweg, aus dem gespeicherte Energie erst entsteht.

Wie weit sich das treiben lässt, zeigt die CompoSpring GmbH, ein auf Faserverbund-Federn spezialisiertes Spin-off aus der TU-Darmstadt-Linie (dazu unten mehr): Nach eigener Angabe speichert ihr GFK-Federmaterial bis zu 1.000 J/kg dynamisch und dauerhaft; die Konzepte sollen gegenüber vergleichbaren Stahlfedern 70 bis 90 Prozent Gewicht sparen und bis maximal 180 °C einsetzbar sein.

Corvette: der Dauerläufer seit den frühen 1980ern

Den Anfang machte Amerika: Anfang der 1980er-Jahre erhielt die Chevrolet Corvette eine Monoblattfeder aus Glasfaser-Epoxid, die ein mehrlagiges Stahlfederpaket ersetzte – statt 22 kg wogen fortan rund 3 kg, ungefähr ein Siebtel.

Bemerkenswerter als das Gewicht war die Dauerhaltbarkeit. In den Ermüdungstests von General Motors galt ein Versagen der Stahl-Mehrblattfedern nach 200.000 vollen Lastwechseln als wahrscheinlich; die GFK-Ersatzfeder zeigte nach 2 Millionen Zyklen – dem Zehnfachen – keinen Leistungsverlust. Ermüdung, die klassische Schwachstelle metallischer Bauteile, ist beim Faserverbund die Paradedisziplin.

Volvo: die Querblattfeder aus dem High-Speed-RTM

Der modernste Serienstrang läuft bei Volvo: Seit dem XC90 des Jahres 2014 ersetzt eine quer eingebaute GFK-Blattfeder an der Hinterachse die klassischen Schraubenfedern; später wanderte das Konzept auch in S90 und V90. Gefertigt wird die Feder von Benteler-SGL aus Paderborn in einem vollautomatisierten Werk in Österreich – im High-Speed-RTM, einer auf kurze Taktzeiten getrimmten Variante der Harzinjektion in geschlossene Formen, mit Polyurethan- statt Epoxidmatrix.

2019 meldete SGL die millionste ausgelieferte Composite-Blattfeder für die Fahrzeuge der Volvo-SPA-Plattform. Die Bilanz pro Feder: 6 kg statt bis zu 15 kg in Stahl – laut SGL 65 Prozent leichter als die Stahlversion.

Transporter und Lkw: IFC Composite und Mubea

Bei Blattfedern für leichte Nutzfahrzeuge dominiert ein deutscher Hersteller: IFC Composite aus Haldensleben in Sachsen-Anhalt, das als europäischer Marktführer für GFK-Blattfedern gilt, fertigt im Heißpressverfahren die vordere Querblattfeder von Mercedes Sprinter und VW Crafter. Nach Unternehmensangabe sind weit mehr als 1,3 Millionen Transporter damit ausgerüstet – bei einer Fehlerquote, die die Firma selbst mit null beziffert. Preislich lag die Transporterfeder schon 2015 nur im einstelligen Prozentbereich über der Stahlversion.

Seit Ende 2016 ergänzt Mubea aus Attendorn das Bild: Der Zulieferer liefert für die Hinterachse des Sprinter eine GFK-Blattfeder als Sonderausstattung, gefertigt aus Prepreg – vorimprägnierten Faserhalbzeugen, die unter Druck und Temperatur verpresst werden. Die Gewichtsbilanzen der Nutzfahrzeugpraxis:

• Sprinter/Crafter-Vorderachse (IFC Composite): 5,6 statt rund 26 kg – etwa 80 Prozent leichter,
• Sprinter-Hinterachse (Mubea): bis 13 kg leichter; bei schwereren Fahrzeugen mit mehrlagigen Stahlpaketen sind bis 75 Prozent oder 30 bis 45 kg je Achse möglich,
• vierachsiger Baustellen-Lkw: 18 statt rund 67 kg an der Vorderachse – über 70 Prozent; insgesamt sind dort bis zu 400 kg pro Fahrzeug möglich,
• Sattelzugmaschine: rund 100 kg Ersparnis mit GFK-Längsblattfedern,
• Wohnmobil-Nachrüstung auf Fiat-Ducato-Basis: 14 kg weniger an der Hinterachse.

Die Schraubenfeder: Torsion als härteste Nuss

Blattfedern werden auf Biegung beansprucht – dafür lassen sich Fasern ideal in Längsrichtung legen. Die Schraubenfeder ist der schwierigere Fall: Ihr gewundener „Draht“ wird beim Einfedern auf Torsion, also Verdrehung, belastet, und Fasern tragen Last fast nur in ihrer Längsrichtung. Ende 2014 brachte Audi im A6 Avant ultra dennoch eine GFK-Schraubenfeder in die Großserie – nach damaliger Darstellung als weltweit erster Hersteller, gemeinsam mit dem Zulieferer und Patentinhaber Sogefi entwickelt.

Die Lösung ist ein Aufbau, der die Torsion in Faserrichtung umlenkt: Ein Kern aus langen, miteinander verdrillten und epoxidharzgetränkten Glasfasersträngen wird mit weiteren Fasern abwechselnd unter plus 45 und minus 45 Grad zur Längsrichtung umwickelt – genau die Winkel, unter denen Verdrehung als Zug und Druck wirkt. Dieselbe Logik macht sich das Faserwickeln bei Antriebswellen zunutze. Ausgehärtet wird bei über 100 °C; der fertige Strang ist dicker als Stahldraht, die Feder fällt durch ihre hellgrüne Farbe auf.

Die Bilanz: rund 1,6 statt knapp 2,7 kg pro Feder, gut 40 Prozent weniger – über alle vier Federn summiert sich das auf 4,4 kg pro Fahrzeug.

Ermüdung und gutmütiges Versagen

Der vielleicht wichtigste Unterschied zeigt sich am Lebensende: Eine Stahlblattfeder kann schlagartig brechen. Eine GFK-Feder fasert stattdessen erst aus, wird über einen längeren Zeitraum weicher und gibt nach – der Defekt kündigt sich an, statt das Fahrzeug abrupt lahmzulegen.

Die Danto Invention GmbH, ein 2010 gegründetes Spin-off der TU Darmstadt mit Sitz in Stockstadt am Rhein, bringt dieses Fail-safe-Argument auf den Punkt: „Nie kommt es zu einem kompletten Werkstoffversagen, weil nie alle Fasern brechen.“ Ihre im Heißpressverfahren direkt in Endform gefertigte Composite-Blattfeder ist nach Firmenangabe 70 Prozent leichter als das Stahl-Pendant.

Aus dieser Linie hervorgegangen ist die CompoSpring GmbH, die Faserverbund-Ersatz für Schrauben-, Blatt-, Gummi-Metall-Schicht-, Wickel- und Luftfedern entwickelt. Mitgründerin Anna Schwarz gab ihrem Interview bei Leichtbauwelt den programmatischen Titel „Federn aus Stahl haben ausgedient.“ – und die Technik hat Gewicht über das Unternehmen hinaus: 2019 lizenzierte Rheinmetall Invent die Danto-Feder nach Firmenangabe weltweit exklusiv (mit der veränderten Konzernausrichtung ab 2022 endete das Engagement); eine früh patentierte Federentwicklung des Mitgründers Tobias Keller fertigt Mubea in Serie.

Drei Wege in die Serie

So unterschiedlich die Federn sind, so klar sortieren sich die Fertigungsverfahren. Das Heißpressen im beheizten Werkzeug trägt die Blattfedern von IFC Composite, Mubea und Danto – bei Mubea ausdrücklich als Prepreg-Verfahren, bei dem vorimprägnierte Lagen unter Druck und Temperatur aushärten: robust, taktzeitfähig und mit exakt liegenden Fasern. Volvo setzt auf das High-Speed-RTM, bei dem reaktives Harz in ein trockenes Faserpaket in der geschlossenen Form injiziert wird – der kürzeste Weg zur Großserie. Die Schraubenfeder schließlich entsteht durch Verdrillen und Umwickeln eines Faserkerns, weil nur so die Torsionslagen in den richtigen Winkeln liegen.

Wie sich Faserverbunde im Fahrzeugbau insgesamt positionieren – vom SMC-Bauteil bis zum Batteriegehäuse – ordnet der Leitartikel zum Faserverbund im Automobilbau ein.