Die Automobilhersteller verringern ihre Flottenverbräuche und Emissionen kontinuierlich durch den Einsatz optimierter Technologien und schrittweiser Verbesserungen, welche zum Teil schon lange zur Verfügung stehen (zum Beispiel Start/Stopp oder Downsizing). Ohne Innovationen führt dieser Trend zu weniger agilen Fahrzeugen, die dem Verbraucher neues Fahrverhalten aufzwingen und letztlich dem Markenimage schaden, wenn nicht neue Fahrzeugarchitekturen entwickelt werden, die die Nachteile kleinerer Antriebe ausgleichen können. Extremer Leichtbau ist dabei zur Reduzierung von Verbrauch und Emissionen eine effektive Option selbst bei großen Premiumfahrzeugen. Desweiteren gleicht Leichtbau das Zusatzgewicht von Batterien (plus 250 bis 400 kg) in reinen Elektrofahrzeugen aus, was entweder die Reichweite erhöht oder den Einsatz kleinerer Batterien ermöglicht.

Chemie unterstützt Leichtbaulösungen

Während Hersteller und Zulieferer das Gewicht einzelner Komponenten bereits heute schon schrittweise verringern, liegen die größten Potenziale zur Gewichtsreduzierung vor allem in der Struktur der Rohkarosserie (300 kg). Dow Automotive, Schwalbach, bietet zahlreiche, auf Chemie basierende Lösungen, die es einzeln oder im Verbund erlauben, künftige Rohkarosserien erheblich leichter zu konstruieren. Die vielfältigen Technologien basieren auf den drei wichtigen Grundelementen schnell härtende Harze, robuste Klebetechnologien für die Bandmontage und anpassbare Schäume für Hohlraumfüllungen zur Vibrations- und Geräuschdämmung und Versteifung.


Schnell härtende Harze

Der Ersatz von Metallen durch Kohlefaserverbundwerkstoffe (CFK) ermöglicht eine Gewichtsreduzierung um mehr als 40 Prozent im Vergleich zu Stahl und bis zu 20 Prozent gegenüber Aluminium. Composites bieten Vorteile gegenüber Metall bei der Nettoform-Herstellung sowie der Komponenten- und Funktionsintegration. Allerdings haben niedrige Produktivität und hohe Kosten die Einführung auf breiter Front in der Großserienherstellung von PKW und LKW bislang verhindert. In den letzten Jahren haben verschiedene Hersteller daher umfangreich in neue Technologien investiert, um CFK auch für mittlere und hohe Stückzahlen interessant zu machen.

Das Schwalbacher Unternehmen hat zu diesem Zweck eine neue Generation ultraschnell härtender Duroplast-Harze mit niedriger Viskosität entwickelt, die unter der Bezeichnung Voraforce bekannt sind. Die Harze eignen sich für Kohlefasern und bieten kurze Entformzeiten bis unter drei Minuten in der konventionellen Hochdruck-Harztransfertechnik. Die kurzen Entformzeiten ermöglichen dem Hersteller das Einhalten oder sogar das Übertreffen der kritischen Prozess-Schwelle für die kostengünstige Produktion von 100.000 Einheiten pro Jahr mit einer einzigen Form.

Ihre Leistungsfähigkeit hat diese neue Technologie bereits bei mehreren großen CFK-Formstücken bewiesen, die mit dem RTM-Prozess hergestellt wurden. Dabei wurden Faservolumina von 50 Prozent bei nahezu kompletter Faserdurchdringung erzielt. Die Aushärtungs-Kinetik im Werkzeug ist sehr schnell, die Harzinjektion wurde vom Härtungsschritt entkoppelt, so dass einer niedrigen Viskosität während des Füllvorgangs eine schnelle Aushärtung folgen kann. Je nach Mischerkopf-Konfiguration und Prozessbedingungen sind Einspritzzeiten von über 60 Sekunden möglich. Darüber hinaus wurden die hohen Formöffnungskräfte eines typischen RTM-Prozesses durch den Einsatz eines neuartigen internen Trennmittels verringert. Das System erfordert keine Nachhärtung oder zusätzliche Werkzeug-Temperaturzyklen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Die guten Prozesseigenschaften wurden in mehreren Projekten mit Partnern in der Automobilindustrie bereits nachgewiesen. Trotz der kurzen Aushärtung liegen die mechanischen Eigenschaften für ein Komposite-Polymermatrix-Material auf hohem Niveau. Das System ist robust gegenüber Schwankungstoleranzen im Mischungsverhältnis, welche für ältere RTM-Mischsysteme üblich sind, und bietet Prozess-Stabilität. Diese chemischen und prozesstechnischen Innovationen ermöglichen eine höhere Produktivität für den CFK-Teilehersteller mit existierender (nicht Hochdruck) RTM-Ausrüstung.

Um CFK-Komponenten voll in den automobilen Entwicklungsprozess zu integrieren, entwickelt das Unternehmen derzeit spezifische Materialmodelle für das schnell aushärtende Duroplast-Harz. Der Einsatz dieser Modelle mit Softwaresimulationen ermöglicht die Bewertung von Prototypen bereits in einem frühen Stadium der Komponentenentwicklung. Kritisch ist in einem HP-RTM-Prozess dabei die komplexe Viskosität und die Aushärtung beim Füllen der Form. Eine weitere Herausforderung stellt die exakte Beschreibung der Durchdringungseigenschaften des Preforms dar. Exakte Harz- und Preform-Modelle sind daher entscheidend für einen vorhersagbaren RTM-Prozess. Diese Modell-Tools sind wichtig für die Komponenten- und Werkzeugentwicklung und Prozessoptimierungen.

Montage heterogener Materialien

Ein wichtiger Schritt zur Integration von Leichtbaukomponenten in Fahrzeugstrukturen ist die Entwicklung geeigneter Montagetechnologien, die das unterschiedliche thermische und mechanische Verhalten benachbarter Substrate berücksichtigen. Klebetechnologien sind Stand der Technik für das Fügen von Komposite-Komponenten. Über Hybridkonstruktionen werden im Karosseriebau und an Fertigungsstraßen heute bereits unterschiedliche Metalle (Aluminium, verschiedene Stahlgüten, Magnesium) durch Klebetechnologien miteinander verbunden. In diesem Bereich hat der Schwalbacher Hersteller bereits vor einem Jahrzehnt mit seiner crashfähigen Betamate-Klebetechnologie Pionierarbeit geleistet. Mit dem kürzlich eingeführten Klebesystem Betaforce lassen sich Leichtbaukomponenten wie SMC oder CFK-Teile mit beschichteten Metallen verbinden. Das neue Klebesystem bietet Prozess- und Entwicklungsingenieuren aufgrund folgender Merkmale neue Möglichkeiten zur Konstruktion und Montage von Fahrzeugen: Eine höhere Stabilität und Festigkeit über einen breiten Temperaturbereich (-45 bis +180 °C), ein hohes Niveau bei Festigkeit und Bruchdehnung unabhängig von der Materialstärke, gute Alterungseigenschaften, steuerbare Aushärtezeiten (Zykluszeiten von unter 60 Sekunden), vereinfachter Prozess durch Verkleben ohne Primer und die Kompatibilität mit den in der Automobilindustrie bewährten Dosierungsprozessen.

Eigenschaften nach Maß

Um bestmögliche Struktur- und Crasheigenschaften bei einer Leichtbaukonstruktion zu erzielen, ist eine neue Konstruktion erforderlich. Eine Möglichkeit, die gewünschte Festigkeit bei minimaler Gewichtszunahme zu erreichen, ist das Füllen von Karosserie-Hohlräumen mit leichten Strukturschäumen. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial, welches ein Ausfüllen der Rohkarosserie mit speziellem Betafoam-PU-Schaum bietet, um die Lastaufnahme und Energieableitung einer Composite-Struktur zu verbessern. Gezielte Schaumfüllungen können zu einer erheblich höheren Leistungsfähigkeit führen. Daher kann eine vergleichbare Leistung mit geringerem Gewicht durch dünnwandigere Stahlkomponenten und/oder dem Wegfall separater Verstärkungen erreicht werden. Bei einem Einsatz von CFK kann der Kohlefaseranteil minimiert werden. Daraus können erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden.

Eine Version des PU-Schaums mit niedrigerer Dichte wird von vielen Herstellern weltweit als widerstandsfähige Vibrations- und Geräuschdämmung (NVH) in Rohkarosserien zur Reduzierung von luftgetragenem Schall eingesetzt. Dieselbe Technologie lässt sich auch zur Verbesserung des Geräuschniveaus bei CFK-Strukturen nutzen. Etablierte und bewährte Verarbeitungsmethoden ermöglichen die schnelle Herstellung von dichten Strukturschäumen sowie von leichten akustischen Systemen. Die richtige Dimensionierung der Metallstruktur für die Basislast (weniger strenge Crashtests und kleinere Motoren) und die Verwendung des neu entwickelten PU-Schaums zur Leistungsverbesserung für bestimmte Fahrzeuge oder Stellen, wird zu erheblichen Gewichtseinsparungen führen.

Automobiler Leichtbau

Der Leichtbau ist eine gute Möglichkeit für Automobilhersteller, die großen technischen Herausforderungen der nachhaltigen Fortbewegung mit künftigen Modellreihen zu meistern und weltweit immer strengere Gesetze in Bezug auf Verbrauch und Treibhausgasemissionen einzuhalten.

Komposite-Technologien ergänzen sich sehr gut mit Klebstoff- und Schaumtechnologien zur Entwicklung hochfester, steifer und langlebiger Fahrzeugkarosserien. Eine solche Herangehensweise ermöglicht Gewichtseinsparungen von zehn Kilogramm – bei örtlich begrenztem Einsatz – bis hin zu 100 Kilogramm, wenn die genannten PU-Schäume für Hohlräume, die crashfähigen Klebstoffe und die modularen Montageklebstoffe bereits bei der Entwicklung einer Rohkarosserie gezielt und gemeinsam eingeplant werden.

Dank für die kompetente und freundlichen Unterstützung von: David Bank, Rainer Koeniger (Dow
Automotive R&D), Alexander Droste, Michael Hierl, Orhan Imam, Martin Reimers (Dow Automotive Marketing), Hein Koelman (Dow Material Science & Engineering).

 

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Eugenio Toccalino