Eine der derzeit wichtigsten Triebfedern beim Leichtbau ist die Verringerung der CO2-Emission. Die entsprechenden zulässigen Grenzwerte sinken rasant und in 2020 sind sogar noch strengere Regelungen zu erwarten. Zur Verringerung dieser Emissionen gibt es eine Reihe von Wegen. Dazu gehört zum Beispiel die Verbesserung der Aerodynamik eines Kfz. Hier bewirkt eine Verringerungdes Luftwiderstands um 2 dm2 eine Verringerung der CO2-Emission um 2 g/km. Eine Verminderung des Kraftstoffverbrauchs um 10 Prozent ergäbe eine Verringerung der CO2-Emission um 13 g/km. Über eine Verringerung des Rollwiderstands um 10 Prozent lässt sich eine Verringerung der CO2-Emission um 2 g/km erreichen.

Der Leichtbau ist daher der vielleicht effizienteste und direkteste Weg. 110 kg weniger Gewicht ergeben eine Verringerung um 10 g CO2 /km. Und hier bietet die Substitution von Metallen durch Kunststoffe herausragende Möglichkeiten. Bei Dupont arbeitet man an der Entwicklung von Lösungen im Leichtbau ohne Kompromisse bei den Eigenschaften und der Nachhaltigkeit.

„Als Antwort auf diese Herausforderung müssen Kfz-Hersteller ihre Fahrzeuge einer Reihe tiefgreifender Änderungen unterziehen. Dazu gehört die Möglichkeit der Elektrifizierung, das Downsizing herkömmlicher Motoren zum Erreichen einer besseren Kraftstoffeffizienz, die Aufladung, eine Verbesserung der Verbrennung und die Verwendung von Zusatzaggregaten, die die Abgase reinigen oder wieder in den Verbrennungsprozess zurückführen. Hierfür braucht die Branche neuen Lösungen, die auch angesichts weiter steigender Temperaturen und aggressiverer Medien im Motorraum ein ausgewogenes Kosten-Nutzen-Verhältnis ermöglichen“, erklärte Patrick Cazuc, Automotive Director Europe, Middle-East and Africa (EMEA), DuPont Performance Polymers, im Rahmen der Vor-Pressekonferenz zur K 2013.

Werkstoffexperten nah an der Anwendung

Unter der Devise „The Global Collaboratory“ versteht das Unternehmen die sehr enge Zusammenarbeit mit der Wertschöpfungskette in den drei Bereichen Verarbeitung, Konstruktion und Werkstoffe. Cazuc erläutert dazu: „Die Optimierung der Verarbeitungseffizienz der Werkstoffe bestimmt zu einem großen Teil die Gesamtkosten einer Lösung. Kunststoffgerechtes Konstruieren zur Substitution von Metallen anstatt Kunststoffe in einer für Metalle ausgelegten Konstruktion zu ersetzen, erfordert eine geänderte Herangehensweise und eine andere Art von Materialdaten.“

Leicht und leise

Und schließlich machen die neuen Anforderungen die Entwicklung neuer Kunststoff-Formulierungen notwendig. „Dies gilt insbesondere wenn es um Teile geht, die Schlagbeanspruchungen mit hohen Geschwindigkeiten ausgesetzt sind. Ein Beispiel ist die große Ölwanne, die wir auf der K zeigen werden und die Elring Klinger aus Zytel für Mercedes-Benz im Spritzgießverfahren herstellt. Diese Lösung ist um 50 Prozent leichter als die vergleichbare Aluminiumwanne, und sie widersteht Steinschlag. Darüber hinaus senkt sie den Geräuschpegel gegenüber der Metallausführung um 2 dB.“ Ölwannen für Lkw sind viel größer und komplexer als solche für Pkw. Für die Lkw-Wanne wurde ein hitzestabilisierter, innengeschmierter Typ von Zytel Polyamid gewählt, nachdem zuvor vier Jahre lang Prototypen hergestellt und über mehr als 3000 Stunden im Dauertest geprüft wurden.

„Bei der Verarbeitung bietet Zytel sehr gute Fließeigenschaften, die es Elring Klinger ermöglichen, dieses sehr komplex gestaltete Bauteil zu realisieren. Dank der niedrigen Schmelzeviskosität ist das Material sehr leicht verarbeitbar – insbesondere in Dünnwandtechnik. Geringe Einspritz- und Werkzeuginnendrücke ermöglichen auch die Einhaltung genauer Toleranzen bei großen und komplexen Teilen mit langen Fließwegen, wie bei solchen Ölwannen“, so Christoph Lange von Dupont Performance Polymers. Ein geringeres Gewicht ermöglicht, die Kraftstoffeffizienz sowie der Nachhaltigkeit von Schwerlastwagen zu verbessern. „Ab 2013/2014 wird die Euro-6-Emissionsnorm zum Einsatz einer neuen Motorengeneration auf den Straßen führen, denn sie gibt gleichermaßen strenge Emissionsgrenzwerte für Diesel- wie für Benzinmotoren vor. Darum konzentrieren sich Hersteller auch auf die Senkung des Kraftstoffverbrauchs. und Leichtbauteile. Der Trend geht zu Ölwannen aus Polyamid 66 mit einem Glasfaseranteil von 35 Gew.-Prozent“, so Klaus Bendl, Leiter Forschung und Entwicklung, Elastomer Technology/Modules Division bei Elring Klinger, Dettingen/Erms, Deutschland.

Leichtbau von tragenden Pkw-Bauteilen

Aber die konventionelle Metallsubstitution reicht nicht immer aus, um die angestrebte Reduzierung der CO2-Emission zu erreichen. Darum müsse die Aufmerksamkeit auch auf die Konstruktion tragender Bauteile gerichtet werden, die auch zur Energieaufnahme ausgelegt sind. Als Beispiel erläutert der Experte Cazuc eine Entwicklung mit PSA Peugeot-Citroën, in dem ein Seitenaufprallträger aus Vizilon, eine in der Entwicklung befindliche Thermoplast-Verbundwerkstoff-Technologie, eingesetzt wird. Dies ermögliche eine Gewichtseinsparung von
40 Prozent im Vergleich zu ultrahochfestem (UHHS-)Stahl und zugleich eine – gegenüber Trägern aus Metall und kurzglasfaserverstärktem Kunststoff – höhere Energieaufnahme.“

Daher kann sich diese Technologie sehr gut für energieabsorbierende Komponenten eignen, was ein völlig neues Anwendungsfeld für Kunststoffe im Automobil eröffnet. Und Stéphane Delalande, Kunststoffexperte und Leiter des Netzwerks StelLab bei PSA Peugeot Citroen ergänzt: „Im Wettlauf zur Reduzierung der Schadstoffemissionen stellt der verstärkte Einsatz von Verbundkunststoffen eine potenzialstarke, bahnbrechende Lösung dar.

Für die Großserienproduktion der KFZ-Industrie bestehen jedoch besondere Anforderungen hinsichtlich Leistung, Arbeitstakt, Kosten und Recyclebarkeit, für die zunächst Lösungen gefunden werden müssen, bevor Verbundkunststoffe massiv in der Automobilherstellung eingesetzt werden können. Unsere Zusammenarbeit mit Dupont, die darin besteht, gewichtsreduzierte Verbundstoffstrukturen zu entwickeln, stellt einen entscheidenden Schritt dar, um dieses Ziel zu erreichen. Die gemeinsam erarbeiteten Ergebnisse sind hinsichtlich der Relevanz der angeboten Lösungen für die Automobilbranche aussichtsreich.“ Der Seitenaufprallträger aus dem Thermoplast-Verbundwerkstoff erfüllte den Crashtest von PSA Peugeot Citroën, was seine Eignung für energieabsorbierende Aufprallelemente bestätigt. Und die Zahl der Kunststoff-Anwendungen im Fahrzeug wird steigen, da ist sich Patrick Cazuc sicher: „Wir können noch vieles mehr aus Kunststoffen herstellen, und es ist kein Ende in Sicht.“

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Über den Autor

Dr. Etwina Gandert ist Redakteurin bei Plastverarbeiter, etwina.gandert@huethig.de