Nachdem thermoplastische, endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoffe neben kurzglasfaserverstärkten Thermoplasten jahrelang ein Nischendasein geführt haben, stehen sie jetzt, vor allem im Automobilbau, stark im Fokus. Nur mit anspruchsvollen Composites, die aus geeigneten Faserstrukturen auf der einen und leistungsstarken Polymeren auf der anderen Seite bestehen, werden die automobilen Leichtbauziele der Zukunft zu errei-chen sein. Die Herausforderung ist dabei, den Gewichtsvorteil der Bauteile durch die Weiterentwicklung der Verarbeitungstechnologie für die Großserie flott zu machen. Eine der ersten Serienanwendungen von thermoplastischen Verbundbauteilen mit einem Polyamid der BASF ist im März 2012 auf dem Genfer Autosalon vorgestellt worden.

Composites in der Serienfertigung

Das Sportcoupe Opel Astra OPC verfügt über eine Sitzschale aus thermoplastischem Laminat mit Endlosfaserverstärkung. Es handelt sich um die weltweit erste Autositzschale eines Serienfahrzeugs in dieser Bauweise. Die eingesetzten Kunststoffe sind Polyamidspezialitäten aus dem Ultramid-Sortiment. Die Sitzschale ist 45 Prozent leichter als das Vorgängerbauteil. Hierfür hat das Chemieunternehmen zwei Ultramid-Spezialitäten entwickelt: Eine unverstärkte Variante fungiert als Tränkmaterial für das Glasfasergewebe, ein zäh modifiziertes kurzglasfaserverstärktes Ultramid eignet sich als Überspritzmaterial, um im klassischen Spritzguss die notwendigen Rippen und Kanten des Bauteils zu erzeugen. Durch die hohe Festigkeit des Laminats können Wanddicken deutlich geringer ausfallen, was zu der beträchtlichen Gewichtsreduktion führt.

Die Fertigung der Composite-Sitzschale erfolgt im Inmold-Forming: Dabei wird das aufgeheizte und formbare thermoplastische Laminat im Spritzgießwerkzeug in die benötigte Form gebracht, dort geschickt fixiert und unmittelbar danach überspritzt. Bei diesen neuartigen Prozessen konnte die BASF ihre verfahrenstechnische Expertise einbringen.
Composites im Entwicklungsstadium: Cabriolet-Dachmodul
Noch ein Stück von der Serienfertigung entfernt, aber ein wichtiges Instrument um Erfahrungen auf dem Sektor einer anderen Verarbeitungsform zu gewinnen, ist ein weiteres Automobil-Bauteil, das vom neu gegründeten Lightweight Composite-Team der BASF zusammen mit EDAG entwickelt wurde.

Das Ergebnis wird auf der Fakuma zu sehen sein: Ein erstes Demonstrator-Bauteil auf Basis vielfältiger Werkstoffe für den RTM-(Resin Transfer Molding) Prozess ist die Konzeptstudie eines mehrteiligen Cabriolet-Dachmoduls in Sandwich-Bauweise mit Carbonfasern verstärkten Deckschichten und einem PUR-Schaumstoffkern. Die zentrale Schicht der Sandwich-Struktur des Demonstrators ist ein geschlossenzelliger PUR-Strukturschaum der Marke Elastolit D. Er dient bei geringem Raumgewicht als Abstandshalter zwischen den Laminatdeckschichten und führt so zu einer äußerst hohen Bauteilsteifigkeit. Darüber hinaus verleiht er dem Dachmodul gute Dämmeigenschaften. Das Dachsegment als Faserverbund-Sandwich-Konzept erzielt mit 2,9 kg Gewicht eine über 40 prozentige Gewichtsreduzierung im Vergleich zu einer Bauweise aus Aluminium, gegenüber Stahl mehr als 60 Prozent.

Klassische Kunststoffe neu entdeckt

Gewichtseinsparung spielt natürlich auch bei anderen Transportmitteln eine Rolle. Der Hochtemperaturthermoplast Ultrason E, ein Polyethersulfon, kommt im Servicebereich von Flugzeugen zum Einsatz: Auf der Fakuma zeigt BASF den weltweit leichtesten Flugzeug-Trolley. Neben seinem möglichst geringen Gewicht muss der Trolley auch thermisch isolieren, damit die verderblichen Lebensmittel kühl bleiben. Außerdem dürfen sich Oberfläche und Korpus von Tritten, Stößen und Verschmutzung nichts anhaben lassen. Für all das sorgt die besonders leichte Füllung der Wände und Türen des kleinen Servierwagens. Der Schaumstoff aus Ultrason E im Innern der Trolley-Wände ist mit 40 kg/m³ sehr leicht. Zusätzlich zeichnet er sich durch seinen hohe Temperaturfestigkeit und Stabilität, seine Dämmeigenschaften und inhärenten Flammschutz aus. Zu dieser Kombination von Eigenschaften kommt eine geringe Absorption von Feuchtigkeit. Zu Sandwichelementen verarbeitet führen die Schaumstoffplatten dazu, dass die Handwagen nur etwa 10 kg wiegen.

Ein weiteres Ausstellungsstück ordnet sich auf dem für die technischen Kunststoffe noch relativ jungen Gebiet der Solarenergiegewinnung ein. So zum Beispiel der Aixtralight Clip von Aixtra Solar, der aus Ultramid A3WG10 gefertigt wird. Die Halterung wird auf dem Dach vormontiert und erleichtert so das Anbringen des Photovoltaikmoduls. Durch den Einsatz des Clips werden Spannungen durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten beim Trapezblechdach und der Befestigungsschiene vermieden. Das hochsteife Polyamid der BASF gehört zu den Engineering Plastics, bei denen mittels ISO 4892-2 Zykl. 1 eine Lebensdauer von 20 Jahren nachgewiesen werden kann. Außerdem zeigt das Material auch bei hohen Temperaturen (bis zu 80°C) eine sehr geringe Kriechneigung und verfügt über eine hohe Zähigkeit und Steifigkeit auch bei tiefen Temperaturen.

Lösung bekannter Probleme: Laserschweißen von PBT
Was die Entwicklung neuer Kunststofftypen möglich macht, zeigen zwei Elektronikbauteile aus dem Automobilbereich. Verbesserte Eigenschaften vereinfachen die Fertigung und erweitern die Einsatzmöglichkeiten.
Der Motorenentwickler Precision Motors Deutsche Minebea (PM DM) mit Sitz in Villingen-Schwenningen verwendet den hoch lasertransparenten und daher leicht laserschweißbaren Kunststoff Ultradur Lux aus der PBT-Familie (Polybutylenterephthalat) und fertigt daraus den Gehäusedeckel seines neuartigen Steuerungsmoduls. Mit diesem Modul wird die Luftführung zur Kühlung moderner Fahrzeugmotoren in Zukunft steuerbar sein und dadurch noch effizienter funktionieren als bisher: Bewegliche Luftklappen oder Lamellen hinter dem Kühlergrill können mit Hilfe des Aktuators bei kalter Witterung geschlossen werden und tragen so dazu bei, dass der Fahrzeugmotor schneller auf Betriebstemperatur kommt. Gleichzeitig vermindern die geschlossenen Lamellen beim schnellen Fahren den Luftwiderstand. Auch auf diese Weise lässt sich Kraftstoff einsparen.

Zentrale Eigenschaft des Werkstoffs ist die eigens für das Laserschweißen verbesserte Transparenz für nahes Infrarotlicht von 800 bis 1100 nm Wellenlänge – genau für den Bereich, der für das Laserdurchstrahlschweißen entscheidend ist. Durch die erhöhte Lasertransparenz lässt sich der Werkstoff schneller schweißen als andere PBT-Typen im Markt. Darüber hinaus wird das Prozessfenster erheblich breiter und die Gefahr, den Werkstoff zu schädigen verringert. Die hier verwendete Type Ultradur Lux B4300 G4 ist mit 20 Prozent Glasfasern verstärkt.

ESP-Gehäuse: Hohe Leistung auch bei Hitze und Feuchtigkeit
Die Betriebstemperatur unter der Motorhaube hat sich durch die fortschreitende Kompaktierung ständig erhöht. Darüber hinaus sind Elektronikbauteile globaler Anbieter in Automobilen weltweit im Einsatz und müssen daher Untersuchungen nach allen internationalen Standards und Prüfbedingungen genügen. Das ESP 9, die neuste Generation des elektronischen Stabilitätsprogramms von Bosch, gehört heute in vielen Fahrzeugen zur Sicherheitsausrüstung. Das Gehäuse der Steuerung besteht aus dem hydrolysestabilen Ultradur B4330G6 HR.

Der Spezialkunststoff aus der PBT-Familie erfüllt die hohen Anforderungen, die an technische Kunststoffe in heiß-feuchten Einsatzgebieten gestellt werden. Der Kunststoff behält seine Materialeigenschaften wie gute Festigkeit, Elastizität und Schlagzähigkeit während der Langzeituntersuchung bei 85 °C und 85 Prozent relativer Luftfeuchte bei. Ohne nennenswerte Alterungserscheinungen übersteht er Prüfzeiten von über 5000 Stunden. Das ist ein Vielfaches der bislang von hydrolysestabilisiertem PBT erreichten Beständigkeit. Viele Vergleichsmaterialien sind nach einem Drittel der Zeit bereits deutlich geschädigt. Die beschriebenen Entwicklungen zeigt die BASF exemplarisch an einigen Exponaten auf der diesjährigen Messe Fakuma in Friedrichshafen.

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Dr. Sabine Philipp