LeichtbauWie Autos abspecken

Mehr Leistung, Sicherheit und Komfort haben Autos schwer werden lassen. Nun setzen die Hersteller mit leichten Materialien dagegen: Aluminium, Karbon, Titan – sogar Holz. von Jürgen Rees

Der neue Range Rover

Der neue Range Rover  |  © Siu Chiu/Reuters

Ein Luxus-Geländewagen in Weiß, 258 PS stark, fünf Meter lang und 2,2 Tonnen schwer. Für Nick Rogers, Entwicklungschef beim britischen Autohersteller Land Rover , sieht so die neue Leichtigkeit aus. Fast fünf Jahre lang hat er jedes überflüssige Kilo gejagt. Denn das größte Modell seines Arbeitgebers, der Range Rover, wog 2,6 Tonnen und musste schlanker werden: 420 Kilo hat er am Ende verloren. Sonderlich nachhaltig ist das tonnenschwere Gefährt zwar immer noch nicht. Aber so viel hat andererseits noch nie ein Auto abgespeckt. Das werden die Ingenieure der anderen Hersteller mit Interesse verfolgen.

Der Automobilindustrie steht eine Zeitenwende bevor. Jahrelang wurden Autos immer schwerer. Der erste Volkswagen Golf von 1974 wog noch 750 Kilo. Heute bringt sein Nachfolger 1,2 Tonnen auf die Waage.

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Damit soll jetzt Schluss sein. Die Fahrzeuge müssen ihren Verbrauch und vor allem ihren CO2-Ausstoß senken: Fast überall auf der Welt drohen den Herstellern sonst harte Strafen. In Europa müssen Autobauer bis 2020 die durchschnittlichen CO2-Emissionen ihrer Fahrzeuge unter 95 Gramm pro Kilometer senken. Das entspricht einem Verbrauch von rund vier Litern Benzin pro 100 Kilometer. Schaffen sie das nicht, drohen ihnen Bußgelder von bis zu 4.000 Euro pro Fahrzeug.

Der einzige Ausweg: kleinere Motoren, alternative Antriebe – und vor allem leichtere Fahrzeuge.

Emissionen und Spritverbrauch

Strenge Grenzwerte dienen nicht nur dem Klima, sondern helfen auch Verbrauchern beim Sparen. Denn CO2-Ausstoß und Spritverbrauch hängen unmittelbar miteinander zusammen: Ein Liter Diesel verursacht 2,64 Kilogramm CO2, ein Liter Benzin 2,33 Kilogramm CO2.

Das bedeutet: Ein Neuwagen, der 140 Gramm CO2 je Kilometer ausstößt, verbraucht 5,3 Liter Diesel beziehungsweise 6 Liter Benzin auf 100 Kilometer. Mit dem künftigen Grenzwert von 95 Gramm pro Kilometer sinkt der Verbrauch je 100 Kilometer auf 3,6 Liter Diesel oder 4,1 Liter Benzin.

Spritsparen

Damit spart der Besitzer eines neuen Pkw kräftig bei den Treibstoffkosten. Gegenüber dem Grenzwert von 2015 bringe ein Wagen, der die Obergrenze von 2020 erfüllt, im ersten Jahr eine Ersparnis von rund 340 Euro – bei heutigen Spritpreisen, erläutert die EU-Kommission. Insgesamt lägen die Einsparungen deutlich höher als der Aufpreis des dank neuer Technik verbrauchsärmeren Wagens – die EU-Kommission geht davon aus, dass ab dem Jahr 2020 neue Pkw 1.100 Euro mehr kosten.

WWF, Greenpeace und der Verkehrsclub VCD fordern einen strengeren Grenzwert von 80 Gramm je Kilometer. Das entspräche einem Verbrauch je 100 Kilometer von 3,4 Litern Benzin oder 3,1 Litern Diesel. Bei einem Kraftstoffpreis von zwei Euro und der durchschnittlichen Fahrleistung des Jahres 2010 würde ein Autofahrer so 587 bis 959 Euro im Jahr sparen, rechnen die Verbände vor.

Doch das sagt sich so einfach. Viele Techniken, die beim Sparen helfen, treiben gleichzeitig das Gewicht in die Höhe. Schon wenn Ingenieure den Verbrennungsmotor mit einer Start-Stopp-Automatik oder einem Turbolader ausrüsten, klettert das Gewicht des Fahrzeugs um 50 Kilogramm. Bauen sie einen Elektroantrieb ein, steigt das Gewicht gar um 250 Kilo.

Dabei zahlen sich leichtere Autos sofort aus: 100 Kilogramm weniger Gewicht, so die Faustregel der Konstrukteure, senken den Verbrauch um bis zu einem halben Liter.

Um die Autos schnell leichter zu machen, testen die Hersteller daher unterschiedlichste Materialien: Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind bereits vielen ein Begriff. Viele andere Materialien sind im Automobilbau bislang eher selten, darunter Stahl kombiniert mit Kunststoff, Titan und sogar Holz. Die WirtschaftsWoche hat sich die vielversprechendsten Entwicklungen angesehen.

Aluminium: Aufwendige Herstellung

Der neue Range Rover gibt die Richtung für schwergewichtige SUVs vor: Auch Audi verspricht, dass sein XXL-Geländewagen Q7, der 2014 herauskommt, mehr als 400 Kilogramm leichter wird. Der Ingolstädter Autohersteller, der sich zu den Pionieren in Sachen Leichtbau zählt, setzt auf Aluminium. Basis für den Q7 soll ein neuer Aluminium-Rahmen sein, der durch Kohlefaserteile und Glasfaserkunststoff verstärkt ist.

Der Haken an dem Leichtmetall: Aluminium ist bis zu fünf Mal so teuer wie Stahl, unter anderem, weil die Produktion rund zehn Mal so viel Energie verschlingt wie die von Stahlblechen. "Ob sich der höhere Energieeinsatz über den geringeren Benzinverbrauch rechnet, hängt von der Recyclingquote ab", sagt Nico Depner, Leichtbauspezialist der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen . Denn beim Recycling wird nur noch ein Zehntel der Energie eingesetzt, die zur Herstellung des Primäraluminiums nötig war.

Um Gewicht zu reduzieren, steigt der Alu-Anteil quer durch die Branche. Pro Auto hat er sich seit 1990 auf 140 Kilogramm fast verdreifacht, ergaben Berechnungen des US-Marktforschungsunternehmens Ducker Worldwide . Bis 2020 sollen es danach gar 180 Kilogramm sein. Dann folgen auch Klein- und Mittelklassewagen dem Alu-Trend der Spitzenmodelle.

Holz: Renaissance eines Werkstoffs

Der tief geduckte, zweisitzige Morgan 4/4 aus England ist ohne Zweifel ein Sportwagen. Doch das Bauprinzip haben seine Konstrukteure von Holzkutschen vergangener Tage abgeschaut. Seit 1936 gibt es das nur 800 Kilo schwere Modell, und seitdem besteht sein Rahmen aus Eschenholz. Das ist hart und gleichzeitig flexibel genug, um Schlaglöcher und schnelle Kurvenfahrten auf Landstraßen unbeschadet zu überstehen.

Jetzt schnitzen Forscher wieder am Auto der Zukunft. Wenn es nach Stefan Böhm von der Universität Kassel geht, soll Holz im Automobilbau eine Renaissance erleben. "Überall dort, wo es nach heutiger Kenntnis möglich wäre, kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe einzubauen, oder sie schon verwendet werden, könnten holzbasierte Multimaterialsysteme zum Einsatz kommen", sagt Böhm, der das Projekt mit dem sperrigen Namen "Holzformteile als Multimaterialsysteme für den Einsatz im Fahrzeugrohbau" (Hammer) koordiniert. Daran ist neben dem Fraunhofer-Institut für Holzforschung in Braunschweig auch Volkswagen beteiligt.

Aus Holz könnte unter anderem bald die B-Säule sein, die Verbindung von Autoboden und Dach zwischen Vorder- und Hintertür. Für Böhm bietet Holz viele Vorteile: Es wächst überall, ist CO2-neutral, braucht bei der Weiterverarbeitung wenig Energie und ist leicht wiederzuverwerten.

Entscheidend für den Erfolg ist die richtige Kombination der Hölzer wie Pappel, Esche oder Buche und die richtige Ausrichtung der Furnierlage. Zwischen den Holzschichten einlaminierte Metall- oder Polymerfolien sollen die Struktur zudem unfallsicher machen. Spätestens in eineinhalb Jahren soll der erste Prototyp mit möglichst vielen Holzteilen fertig sein.

Materialmix: Bunt gemischt

Aber was tun, wenn sich Leichtbau mit vielen extrem teuren Materialien wie Aluminium, Magnesium oder gar Carbonfaserwerkstoffen verbietet, weil das Auto erschwinglich bleiben soll? Dann lohnt sich ein kluger Materialmix, wie etwa Volkswagen ihn im Golf VII einsetzt.

Noch konsequenter setzt Mazda auf einen Materialmix: Nach dem Kleinwagen 2 präsentieren die Japaner Mitte 2012 den SUV CX-5 und jetzt die Mittelklasse-Limousine 6 mit einer ausgeklügelten Leichtbaustruktur aus sogenannten hochfesten Stählen. Je nachdem, ob das Fahrzeugteil besonders crashsicher, langlebig oder formschön sein muss, wählen die Konstrukteure das passende Material dazu aus: Türbeplankungen, die einem Seitencrash standhalten müssen bestehen aus Aluminium und Kunststoff, Instrumententräger aus stabilem Magnesium, die Motorhaube aus leichtem Aluminium und Innenverkleidungen aus Thermoplasten. Diese Kombination lässt alle drei Mazda-Modelle bis zu 100 Kilogramm leichter werden als ihre Vorgänger.

Magnesium: Fest und leicht

Der legendäre VW Käfer hatte die Zukunft bereits an Bord. Sein Boxermotor im Heck des Wagens besteht teilweise aus Magnesium. Der Stoff ist vier Mal leichter als Stahl und rund eineinhalb Mal leichter als das Leichtmetall Aluminium. Doch irgendwann wuchs bei den Kunden die Lust auf mehr Leistung. Dafür brauchten die Motor-Konstrukteure Materialien, die mehr Hitze aushalten konnten als Magnesium.

Erst als neue Legierungen, also Mischungen mit anderen Metallen, das Material fester machten, interessierten sich die Ingenieure wieder für Magnesium. Denn der Werkstoff hat einige gewichtige Vorteile: Er ist weltweit in großen Mengen verfügbar und ähnlich leicht und preisgünstig zu bearbeiten wie Stahl.

Magnesium-Lenkräder sind daher bereits Standard. Auch Felgen werden aus dem Werkstoff gefertigt. VW , Audi und Mercedes setzen zudem Getriebegehäuse aus Magnesium ein. Nun arbeiten Wissenschaftler daran, das Leichtmetall an weiteren Stellen einzusetzen, für leichtere Sitze etwa. Das Problem: Dafür brauchen sie Magnesiumbleche, die aber zwei- bis dreimal teurer sind als die Alu-Pendants.

Deshalb arbeitet Karl Ulrich Kainer vom Institut für Werkstoffforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht bei Hamburg an einem Verfahren, bei dem die Hersteller das Magnesium nicht mehr bis zu 40 Mal, sondern nur noch dreimal walzen müssen, bevor das Blech fertig ist. Das würde die Fertigung deutlich billiger machen.

Stahl: Bewährt und günstig

Die neue Konkurrenz durch Aluminium und Carbon aber hat auch die Stahlkocher aufgeschreckt. Auch sie bewegen sich daher, um ihr Material leichter zu machen. So setzt Volkswagen im Golf VII auf sogenannte hochfeste und ultrahochfeste Stähle, mit denen die Wagen bis zu einem Drittel leichter werden als ihre Vorgänger. Ähnliche Stahlinnovationen setzen auch Mercedes in der A-Klasse und Mazda in seinem Mazda 6 ein.

In dem Feld tut sich gerade einiges: Der Stahlkonzern Salzgitter baut gerade eine Produktion für sein neues Produkt HSD-Stahl auf. Es ist eine manganhaltige Legierung, der die Stahlkocher Aluminium und Silizium beigemischt hatten. Damit ist der neue Stahl um bis zu einem Drittel leichter als herkömmlicher.

Konkurrent ThyssenKrupp dagegen setzt auf eine Sandwich-Konstruktion von zwei dünnen Stahldeckblechen, die einen Kunststoffkern umschließen. Damit wollen die Entwickler die Festigkeit von Stahl mit dem geringen Gewicht von Kunststoff verknüpfen. Um zu zeigen, wie leicht der Werkstoff ist, hat ThyssenKrupp daraus ein Ultraleichtbaufahrzeug entwickelt. Das Elektroauto namens Ineco wiegt mit Batterien weniger als 900 Kilogramm.

Karbon: Schwarz und stark

Das Sandwich ist außen pechschwarz, zwischen den zwei dünnen Lagen quillt ein fingerdicker weißer Schaumkern heraus. Das Sandwich ist nicht essbar, es erleichtert vielmehr Autos um etliche Kilo. Es kombiniert kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff mit einem preisgünstigeren Hartschaumstoffkern. Das Konstruktionsprinzip des Essener Konzerns Evonik hat sich bereits in der Luft- und Raumfahrt sowie im Yachtbau als steif und fest erwiesen.

Die Gewichtsunterschiede sind enorm: Die herkömmliche Heckklappe eines VW Golf V wiegt 23 Kilogramm, eine mit dem Evonik-Material hergestellte gerade noch 3,84 Kilogramm – mehr als 80 Prozent weniger. Das Sandwich-Material setzen im Moment vor allem die Hersteller von Supersportwagen wie McLaren ein.

Die Autowelt beobachtet derweil genau, ob es BMW wirklich gelingt, 2013 das neue Elektroauto i3 in Serie zu bauen. Der Wagen soll einen Rahmen aus Leichtmetall und einen Aufbau aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff erhalten. Das macht die Karosserie um 300 Kilogramm leichter als ein normaler Kompaktwagen. Und zum ersten Mal im Automobilbau wollen die Bayern den anspruchsvollen Werkstoff in einer Serienfertigung verwenden. Gelingt ihnen das, könnten sie das Material in vielen weiteren Fahrzeugen einsetzen.

Titan: Ultraleicht, superteuer

Der Traum aller Ingenieure ist gleichzeitig der Albtraum aller Kosten-Kontrolleure: Titan. Der Werkstoff ist zwar korrosionsfrei, extrem fest und langlebig. Doch ein Titanblech ist mindestens zehn Mal so teuer wie ein Stahlblech.

Deshalb bleibt sein Einsatz bis jetzt auf Superrennwagen wie den 1001 PS starken Bugatti Veyron oder den Elektro-Flügeltürer für Superreiche, Mercedes SLS E-Cell, beschränkt. Im Bugatti findet sich mehr als 50 Kilogramm des wertvollen Materials, beispielsweise an Bremsen, Hitzeschilden, Schrauben und Bolzen. Auch der SLS E-Cell, ein Elektroauto mit Formel-1-Technik und 533 PS Leistung, nutzt Titan für die korrosionsempfindlichen Verbindungsstellen zwischen Carbon und Alu. Der SLS soll 2013 für rund eine Viertelmillion Euro zu kaufen sein – da spielt der hohe Titanpreis nur eine untergeordnete Rolle.

Noch experimentieren die Konstrukteure, welches Material am besten Leichtigkeit und Wirtschaftlichkeit vereint. Derzeit kommen in Karosserien, dem schwersten Einzelteil der Autos, laut der Unternehmensberatung PricewaterhouseCoopers zu 70 Prozent Stahl, 20 Prozent Aluminium und acht Prozent Magnesium zum Einsatz.

Nach einer McKinsey-Studie werden sich bei Klein- und Mittelklassefahrzeugen mittelfristig hochfeste Stähle durchsetzen, in der Oberklasse soll ein Mix aus Kunststoff, Aluminium und Magnesium überwiegen, in der Luxusklasse kommen die teuren Karbonfasern zum Einsatz.

Wie Abspecken auf die ganz einfache Art geht, zeigt Peugeot gerade mit dem neuen Kleinwagen 208. Der wiegt 173 Kilo weniger als sein Vorgänger. Der wichtigste Grund für den Gewichtsverlust: Statt wie sonst bei jedem Generationswechsel in die Länge zu gehen, haben die Franzosen den 208 um sieben Zentimeter gekürzt.

Erschienen in der WirtschaftsWoche

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Leserkommentare
  1. angedeutet ist die beste Möglichkeit Gewicht zu spaten ein kleineres Auto zu kaufen. Früher musste es doch auch nicht der Landrover sein. Der Käfer oder ein Golf 1 reichten den Meisten. Also sollte uns heute auch ein Kleinwagen reichen, der mehr Komfort und mehr Sicherheit bietet als die zwei genannten Volkswagen.

  2. um mittels High-Tech-NASA-Weltraumerprobten Supermaterialien Gewicht zu sparen.

    Aber keiner kommt auf die Idee, einfach nur auf den elektrischen Hämmorhoidenwärmer zu verzichten...

    Am leichtesten sind immer noch die Dinge, die man gar nicht einbaut!

    8 Leserempfehlungen
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    auf deren Bau man ganz verzichtet oder ganz heißer Tipp: FAHRRÄDER!

    • Zack34
    • 23. Dezember 2012 16:50 Uhr

    Zitat: "Aber keiner kommt auf die Idee, einfach nur auf den elektrischen Hämmorhoidenwärmer zu verzichten..."

    Jetzt, wo die Autoindustrie endlich weiß, wo sie ansetzen müsste, sind alle Sorgen um den künftigen Leichtbau weg.

    • wd
    • 23. Dezember 2012 12:53 Uhr

    Mein Wagen hat eine Start-Stopp-Automatik, die ich fast regelmäßig nach dem Starten abschalte.
    Zitat:
    „Schon wenn Ingenieure den Verbrennungsmotor mit einer Start-Stopp-Automatik oder einem Turbolader ausrüsten, klettert das Gewicht des Fahrzeugs um 50 Kilogramm.“
    Fehlt da das Wort jeweils?
    Woher kommt die zusätzliche Masse bei der Start-Stopp-Automatik?
    Kennt jemand die Antwort?

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    • RGFG
    • 23. Dezember 2012 13:11 Uhr

    Wozu schaltet man die Start-Stopp-Automatik aus? ist das Ding wirklich so schlecht?!

    Btw - die Start-Stopp-Automatik verursacht gar nicht so sehr viel zusätzliches Gewicht; stärker dimensionierte Anlasser und Batterie; der Rest ist Steuerungssoftware, die die meist ohnehin schon vorhandenen Sensoren geeignet vernetzt.

    Der Unterschied ist im wesentlichen der Startergenerator, da er das Auto deutlich öfter starten muss, als ein herkömmlicher, muss er deutlich robuster gebaut sein. Dazu kommt, wahrscheinlich noch die höhere Leistung des ISGs, da sie ja nicht 2sek. warten wollen bis das Auto an der Ampel anspringt. Und wie schon genannt die benötigte größere Batterie. Allerdings halte ich 50kg schon für hoch angesetzt

    • Plupps
    • 23. Dezember 2012 18:04 Uhr

    Genrator und Lichtmaschine und Batterie sind jeweils ne Nummer größer ausgelegt - dazu noch ein bisschen Kleinkram
    Für jemand in Lüchow Danneberg bringt das sicher nichts, in der Stadt wohl schon

    • 2b
    • 23. Dezember 2012 13:01 Uhr

    wäre interessant, wie Wiederverwendung/Upcycling, Rohstoffgewinnung und -konkurrenzen, sowie Energieeinsatz und Umweltverträglichkeit in Massenverwendung sich auswirken würden???

    faszinierend sind die neuerlichen Möglichkeiten natürlich und vielleicht auch für Antriebsflügel der Windkraftanlagen vorteilig?

    Eine Leserempfehlung
    Reaktionen auf diesen Kommentar anzeigen

    für Windkraftanlagen gibt es bereits jetzt schon, eine österreichische Firma bietet dies an: http://alpswind.at/entwic...

    Vor wenigen Tagen ist hierzu auch eine Prototypanlage in Deutschland in Betrieb genommen worden.

    • Zack34
    • 23. Dezember 2012 17:24 Uhr

    "Die neuerlichen Möglichkeiten" in FVK sind längst Standard beim Bau von Rotorblätter der Windkraftanlagen.

    • RGFG
    • 23. Dezember 2012 13:11 Uhr

    Wozu schaltet man die Start-Stopp-Automatik aus? ist das Ding wirklich so schlecht?!

    Btw - die Start-Stopp-Automatik verursacht gar nicht so sehr viel zusätzliches Gewicht; stärker dimensionierte Anlasser und Batterie; der Rest ist Steuerungssoftware, die die meist ohnehin schon vorhandenen Sensoren geeignet vernetzt.

    Antwort auf "Bin irritiert"
    Reaktionen auf diesen Kommentar anzeigen
    • wd
    • 23. Dezember 2012 13:40 Uhr

    und bei niedrigen Temperaturen (fahre häufig Kurzstrecke, bei Langstrecken spielt eine mögliche Benzinersparnis eh keine Rolle) schaltet sie sich automatisch ab.
    Mein Akku ist nicht größer als der Akku im Vorgängerwagen.
    Ich las nur einen Artikel des ADAC, der vermehrte Pannen eines bestimmten Typs auf die Start-Stopp-Automatiken zurückführt (z.B. defekter Anlasser).
    Bei Kurzstreckenverkehr (5km) habe ich 3 Ampeln auf der Strecke. Die Wartezeit an den Ampeln beträgt maximal 2 Minuten. Statistisch gesehen warte ich also durchschnittlich maximal 1 Minute vor jeder Ampel. Wahrscheinlich aber weniger, weil ich bemerke, dass die Ampel 2mal zügig umgeschaltet wird, wenn ich aus einer bestimmten Fahrtrichtung komme. Man möchte also den Rückstau bei diesen Richtungen vermeiden. Lange Schlangen vor Ampeln gibt es bei uns nicht.
    Bei der Anzeige des Verbrauchs pro 100km ergibt sich kein Unterschied egal ob die Automatik ein oder ausgeschaltet ist. Der Verbrauch steigt nur wenn der Beifahrer beim Einsteigen trödelt, weil er noch die Blumen im Vorgarten betrachten möchte.

  3. Leichtere Autos bedeuten auch, dass weniger Material verbaut wird, was auch meistens bedeutet, dass das Fahrzeug in verschiedenen Dingen unzuverlässiger wird. Z.B. die alten Grauguß Motoren. Sind zwar sehr schwer, aber dafür halten sie auch ewig. Die neueren Alumotoren, sind im Vergleich anfälliger und das bedeutet auch, dass sie die Umwelt mehr belasten, da sie öfter ausgetauscht werden müssen. Die Herstellung ist nämlich immer noch die größte Umweltbelastung.
    Aber wenn man wieder was unsinnig regelt, wird eben nicht wirklich darauf geachtet, dass es Umweltbewusst ist, sondern nur der Verbrauch, also die Regeln, eingehalten werden.
    Planwirtschaft eben.

    Eine Leserempfehlung
  4. für Windkraftanlagen gibt es bereits jetzt schon, eine österreichische Firma bietet dies an: http://alpswind.at/entwic...

    Vor wenigen Tagen ist hierzu auch eine Prototypanlage in Deutschland in Betrieb genommen worden.

  5. indem man auf das Automobil gänzlich verzichtet.
    Das war schon vor 50 Jahren so und das wird auch in 50 Jahren so sein. Alles andere dient der reinen Unterstützung der Automobil-Industrie, was ja auch nicht schlecht sein muss zu Zeiten grosser wirtschaftlicher Unsicherheit und Angst um Symbole des eigenen Status ;-)

    4 Leserempfehlungen
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    Das geht so nicht, wer so was schreibt ist weltfremd. Die Stadt kann weder alle Menschen aufnehmen, noch alle Arbeitsstaedten. Es wird immer Pendler geben. Es wird immer Aussendienst geben. Eine Krankenschwester kann auch nicht mit dem Fahrad kommen.

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  • Quelle WirtschaftsWoche
  • Schlagworte Volkswagen | Audi | BMW | Bugatti | Mazda | ThyssenKrupp
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