Mobilität – als Megatrend bezeichnet – dominiert auch neueste Entwicklungen von Kunststoffen für den Einsatz in Automobilen. Für Elektrofahrzeuge sind besonders leichte Bauteile nötig und wo möglich, wird Metall durch Kunststoff ersetzt. Das betrifft sichtbare Außenbauteile – wie Scheiben, Felgen oder Reifen – oder Bauteile für das Interieur so wie auch Teile im Motorraum. Allerdings sind bei Werkstoffen für den Innenraum weitere Anforderungen wie Emissionsarmut oder angenehme Haptik und Optik zu erfüllen. Für den Motorraum können nur besonders hitzestabile oder lösungsmittelbeständige Kunststoffe verwendet werden. Und für den Metallersatz generell gilt, dass nur Werkstoffe mit hoher Stabilität infrage kommen. Rohstoffanbieter haben diese Trends erkannt und treiben ihre Entwicklungen in diese Richtungen voran. „Der Megatrend Mobilität ist ein bedeutender Bestandteil unserer Wachstumsstrategie. Aber Wachstum allein ist nicht ausreichend – es muss nachhaltig sein. Wir legen deshalb unseren Fokus auf Innovationen und Technologien, um neue Produkte zu entwickeln, die energiesparend sind und uns helfen, unsere Umwelt zu schützen“, erklärte Axel C. Heitmann, Vorstandsvorsitzender von Lanxess, beim politischen Jahresauftakt des Unternehmens zum Thema „Grüne Mobilität“.

Mit weniger Gewicht weiter kommen

Beim Thema Leichtbau greifen die Anbieter zahlreiche Ansatzpunkte auf. Ob neue Reifen, wie der Conti.e Contact für Elektrofahrzeuge oder Hybride, den ein deutlich gesenkter Rollwiderstand auszeichnet, oder Kunststoffe für Felgen, Scheiben oder Gangwahlhebel. Für letztere setzten die Kooperationspartner Leopold Kostal und EMS-Grivory den Werkstoff GVX-65H ein und optimierten das Bauteil durch verschiedene Moldflow- und Finite-Elemente-Analysen.

Für den Ersatz von Glas kommen Scheiben aus Polycarbonat oder Plexiglas infrage. Mit diesen Werkstoffen können bis zu 50 Prozent Gewicht eingespart werden. „Automobilscheiben aus unserem Polycarbonat können einen wichtigen Beitrag leisten, das bisher noch hohe Gewicht der Batterien von Elektroautos zu kompensieren“, erläutert Dr. Sven Gestermann, Key Account Manager im Bereich Automotive Glazing bei Bayer Materialscience. „Ein wichtiges Ziel aktueller Entwicklungen ist es, die Reichweite der Fahrzeuge deutlich zu erhöhen.“

Auch Plexiglas spart deutlich Gewicht gegenüber Glas ein und zeichnet sich durch eine lange Gebrauchsdauer und Transparenz aus. Eine fünf Millimeter dicke und beschichtete Plexiglas-Platte erhielt bereits die ECE R 43-Zertifizierung für Seiten-, Heck- und Dachverscheibungen. In der Praxis werden diese Scheiben in einem Lotus auf der Rennstrecke getestet. „Aber wir sind natürlich weltweit mit Projekten unterwegs“, sagt Rudolf Blass, der im Geschäftsgebiet Acrylic Polymers für das Thema Automobil-Verscheibungen bei Evonik verantwortlich ist. „So ist unser Material beispielsweise in einem chinesischen Kleinwagen der Marke Chang´an bereits in Serie: als Scheibenelement in Verbindung mit der Heckleuchte, die gleichfalls aus Plexiglas gefertigt wird. Weitere Lösungen stehen in der Pipeline: Bereits heute lassen sich beispielsweise IR-reflektierende Verscheibungen und integrierte Fotovoltaikzellen im Autodach realisieren. Funktionsintegration ist das Stichwort und den Möglichkeiten dafür ist noch lange keine Grenze gesetzt.“

Leicht und stabil – Kunststoff-Felge für die Serienproduktion

Eine Felge aus thermoplastischem Kunststoff ist ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung. Für das Konzeptfahrzeug des neuen smart forvision entwickelten die Partner BASF und Daimler eine Vollkunststoff-Felge, die über 30 Prozent leichter ist als ein serienmäßiges Aluminiumrad. Sie bringt nur noch sechs Kilogramm auf die Waage und besteht aus dem neuen Spezial-Polyamid Ultramid Structure. Die deutliche Gewichtsreduktion des Fahrzeugs von insgesamt 12 Kilogramm mindert bei konventionellem Antrieb den Kraftstoffverbrauch, im Fall eines batteriegetriebenen Autos wie dem smart forvision erhöht das die Reichweite. „Im Rennsport und bei Kleinserien gibt es schon erste Felgen aus duroplastischem Kunststoff“, erklärt Heiko Heß, bei der BASF für die Rad-Entwicklung verantwortlich. „Allerdings sind sie gegenüber thermoplastischen Felgen, die im Spritzguss hergestellt werden können, deutlich aufwändiger, damit auch teurer in der Fertigung und für den Großserieneinsatz ungeeignet.“

Bei der Auslegung dieser hochbelastbaren Ultramid-Felge kam, wie bei zahlreichen Bauteilen aus diesem Werkstoff in den letzten Jahren, das inzwischen universell einsetzbare Simulationsinstrument Ultrasim zum Einsatz. Mit Hilfe einer Topologie-Optimierung ließen sich Gestalt und Position der Verrippung der Kunststoff-Felge am Computer vorhersagen und optimieren – ohne Abstriche am Design.

Stabil und im Crashtest überzeugend

Für Stabilität im Leichtbau sind einerseits die Rohstoffe selbst, aber auch die Verarbeitung und Formgebung von entscheidender Bedeutung. Und daher bieten Chemieunternehmen inzwischen nicht nur die Kompetenz für Werkstoffe, sondern auch für deren Verarbeitung und Konstruktion an. So auch das umfangreiche Servicepaket, das Lanxess unter dem Namen Hi Ant anbietet. „Wir wollen herausstellen, welche Vorteile Kunden haben, die unser Know-how bei Materialien, Simulationstechniken, Konstruktion, Fertigungsverfahren und Anwendungstechnologien nutzen“, erklärte Lars Kraus, Leiter des Technical Marketing Services in der Business Unit Semi-Crystalline Products bei Lanxess. Jüngstes Beispiel der Expertise hinter diesem Servicepaket ist ein Durchbruch beim Umformen von langglasfaserverstärkten Organoblechen. Die Experten des Rohstoffanbieters können nun diesen komplexen Prozess simulieren. Sie berechnen, wie die Fasern nach dem Verformen orientiert sind. Dies ist eine Voraussetzung, um im folgenden Spritzgießprozess mit Polyamid zu hochbelastbaren und leichten Organoblech-Hybrid-Strukturbauteilen wie beispielsweise Automobil-Schweller oder B-Säulen zu kommen.

Stabil muss auch das elektrohydraulische Vario-Dachsystem des Mercedes SLK Cabriolets in der Basisversion mit einem rund 0,8 Quadratmeter großen Dachmodulelement aus Bayblend T85 XF sein. Im Crash-Fall überzeugt das Dachmodulelement durch eine hohe Energieaufnahme. Davon profitiert die Sicherheit, weil es nicht zu einem Versagen des Bauteils durch Bruch kommt. „Die Bruchsicherheit leitet sich aus der hohen Zähigkeit unseres PC+ABS-Blends ab, die auch in der Kälte bei tiefen Minustemperaturen erhalten bleibt“, so Schulten. Das unverstärkte Material wird wegen seiner Formbeständigkeitstemperatur von 127°C (0,45MPa, ISO 75-1,-2) den hohen Wärmeanforderungen an horizontale Karosseriebauteile aus Kunststoff gerecht. Eine weitere Stärke ist neben der hohen Chemikalien- und Spannungsrissbeständigkeit die im Vergleich zum Standardmaterial um 10 bis 15 Prozent bessere Fließfähigkeit. „Sie erlaubt in Kombination mit unserem Verarbeitungs-Know-how beim Spritzprägen eine wirtschaftliche Produktion großflächiger spannungs- und verzugsarmer Formteile mit hervorragender Oberflächenqualität in kurzen Zykluszeiten“, sagt Hans Zilch-Bremer, der bei Peguform als Key Account Manager für Daimler die Entwicklung des Dachelements maßgeblich begleitete.

In die gleiche Richtung zielen die Rohstoffe der Polyamid-6-Familie, wie Ultramid B3ZG7 CR, Ultramid B3ZG3 CR oder Ultramid B3ZG10 CR, mit 35, 15 und 50 Prozent Glasfasern verstärkt. Zunächst in erster Linie für Anwendungen an der Karosserie rund um das Thema Fußgängerschutz entwickelt, sind die hochfesten Kunststoffe jedoch auch anderswo für crashrelevantenBauteile am Fahrzeug einsetzbar. Am Lenkrad, als Struktureinleger oder am Sitz: Überall dort, wo es um hohe und schnelle Energieaufnahme geht. Zur Materialentwicklung und -prüfung hat das Unternehmen aus Ludwigshafen eigens für die neuen crash-optimierten Typen einen Biege- und Torsionsträger entwickelt.

Das Test-Bauteil, das auch für Versuche beim Kunden eingesetzt werden kann erinnert an den Pariser Eiffelturm und weist eine 45°-Verrippung auf. Während sich das klassische CR-Material Ultramid B3WG6 CR im statischen Torsionsversuch bereits um knapp 150° verdrehen lässt ohne zu brechen, überstehen die neuen Kunststoff-Typen unbeschadet ein Verdrillen um den enormen Winkel von bis zu 240°.

Nicht nur schön

Neben Gewicht und Belastbarkeit zielen die Entwicklungen der Rohstoffanbieter auch in Richtung Verarbeitbarkeit und weiterer Einsatzmöglichkeiten. Das schlagzähmodifizierte Polyacetal Delrin 300 TE beispielsweise erfüllt die Anforderungen für den Einsatz im Kfz-Innenraum. Dazu Hans-Hermann Kirner, Leiter Materialentwicklung Kfz-Innenraum bei Dupont: „Angesichts steigender Qualitätsansprüche der Verbraucher setzt die Automobilindustrie heute extrem niedrige Grenzen für die Emissionen flüchtiger organischer Substanzen (VOC).“ Auch das Low Emission PP Compound der Grafe-Gruppe zeichnet sich durch eine geringe Emission für den Einsatz von Luftführungen und Kanälen im Fahrzeugbau aus.

Dazu sind Gestaltungsfreiheit und Design Anforderungen, welche die Rohstoffanbieter erfüllen. So erlauben die im Vergleich zu Glas und Metall größeren Formgebungsmöglichkeiten von Polycarbonat großflächige, komplex geformte 3D-Karosserie-Aussenteile mit integrierten Scheibenelementen für E-Mobile. „Diese Bauteile können als unverwechselbares Stilelement das Erscheinungsbild von Fahrzeugen im Sinne eines Markendesigns prägen“, so Dr. Sven Gestermann.

Glanz und Farbgebung sind auch wesentliche Merkmale des Styrolkunststoffs Luran HH 120. Den Werkstoff stellt ein Joint-Venture zwischen BASF, Ineos und Styrolkunststoff-Unternehmen her. Dieser wird im Exterieur von Skoda-Fahrzeugen, wie Spiegeldreiecken, Spoilerbauteilen sowie Zierleisten, aber auch für Rahmen und Radioblenden im Innenraum eingesetzt. Er lässt sich tiefschwarz glänzend einfärben und zeichnet sich durch Wärme- und UV-Beständigkeit, Chemiekalienresistenz und Kratzfestigkeit aus. Ein hochwertiger metallischer Effekt lässt sich mit dem Einsatz des polypropylen-basierten Compounds Daplen EH 104AE-0515, zum Beispiel beim Peugeot 206+ erzielen. Der Werkstoff enthält ein Pigment, das dem Autohersteller den Lackierprozess erspart. „Die Verwendung eines metallisch eingefärbten Kunststoff-Compounds für ästhetische Teile erfordert ein hoch fließfähiges Material, damit die Bindenähte auf ein Minimum reduziert werden können“, erläutert Thomas Rothmayer, Senior Application Development Engineer bei Borealis.

Eine hohe Chemikalienbeständigkeit kombiniert mit Kratzfestigkeit bieten Cover-Form-Oberflächen. Die Systemlösung ist eine gemeinsame Entwicklung von Evonik und KrausMaffei. Bei dem Verfahren werden Bauteile aus Plexiglas-CF-Formmasse direkt im Spritzgießwerkzeug mit einem lösemittelfreien Mehrkomponenten-Reaktivsystem auf Acrylatbasis beschichtet. Im Test zeigte sich, dass die Beschichtungen deutlich geringere Eindringtiefen als vergleichbare Produkte aufwiesen.

Gegen Hitze, Lösungsmittel und Feuchtigkeit resistent

Außerdem sind Anforderungen wie Hitze- und Lösungsmittelresistenz für Automobilbauer von Bedeutung und das kombiniert mit ansprechenden Oberflächen. So lassen sich beispielsweise die langkettigen Polyamide wie Grilamid L PA12 oder Grilamid 2D PA612 als Steckverbinder für Medienleitungen im Automobil, wie Öl- oder Kühlsysteme, einsetzen. Für den Thermostat eines bestehenden Kühlsystems für Mazda entwickelte Fishman TT ein Gehäuse, das unter der Motorhaube platziert, in einem extrem breiten Temperaturfenster der Kühlflüssigkeiten zwischen -40 und über 150°C bestehen kann. Gegen hohe Temperaturen bis 220°C ist auch das Ultramid Endure D3G10 mit 50 Prozent Glasfaseranteil stabil und für den Einsatz in Motornähe geeignet. Für eine Leitung, die an die Zylinderkopfhaube angeschlossen wird, wurde das Thermoplast V-PTS-Creamid B3H2G3ZBM9000 für den Einsatz in Fahrzeugen von Mini und BMW entwickelt. Flammgeschützte Thermoplaste sind wegen der starken Ströme und hohen Spannungen im Bereich der Batterie und des Antriebs für Elektroautos einsatzfähig. Aus dem verzugsarmen, verstärkten und flammgeschützten Polyamid 6 Durethan wurde eine Batterie-Trenneinheit (Battery Disconnect Unit) gefertigt, die im Falle eines Crashs den Stromfluss von der Batterie zum Elektromotor unterbricht.

Die Übersicht zeigt, dass Kunststoffe im Automobilbau diverse Anforderungen erfüllen müssen. Möglichst effiziente Fahrzeuge zu konstruieren, ist dabei das treibende Entwicklungsziel aller Akteure, besonders hinsichtlich der aufkommenden Elektrofahrzeuge. Für Kunststofflieferanten gilt es jedoch, nicht nur kompetent in Sachen Rohstoff, sondern auch im gesamten Verarbeitungs- und Konstruktionsprozess unterstützend zu wirken.

 

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Dr. Etwina Gandert