OEMs und deren Zulieferer investieren hohe Summen, um neue aber auch einige bisher nicht realisierte Ideen zum Thema Leichtbau für die Großserie umzusetzen. Viele Aktivitäten haben dabei die Substitution von Metallen und Metalllegierungen durch leichtere Faserverbundkonstruktionen und hochgefüllte Kunststoffe im Fokus, denn die Reduktion von Gewicht ist die effizienteste Methode, um den Energieverbrauch bewegter Massen zu senken. Getragen von dem Gedanken des Energie Management Systems nach ISO 50001, sind auch alle anderen Branchen aufgefordert, Wege zu finden, um den Energieverbrauch zu senken – auch der Maschinenbau.

So können im Bereich schnell bewegter Handlingsysteme schon hohe Mengen Energie eingespart werden. Volkswagen hat bereits einen neuen robotergeführten Dachgreifer installiert, bei dem das Gewicht des Systems durch Einsatz von CFK von etwa 1.500 kg auf ungefähr 400 kg gesenkt wurde. Dadurch konnte auch der Energieverbrauch des Handlings um den Faktor 7 gesenkt werden. Somit wird ein Beitrag zur VW Think Blue Factory-Strategie erzielt, die unter anderem eine CO2-Reduzierung von 25 Prozent innerhalb der Produktion zum Inhalt hat. Ein gutes Beispiel dafür, dass Gewichtssenkung auch im Maschinenbau Wettbewerbsvorteile bringt.

Weniger Gewicht mit dichtereduzierten Polyamid-Blend

Im Fahrzeug selbst ist die probateste Möglichkeit zur Gewichtsreduktion der Einsatz von Werkstoffen mit niedriger Dichte. Hierbei spielt Polypropylen (PP) als Werkstoff mit einer Dichte von um die 0,9 g/cm³ eine wichtige Rolle. Es stehen eine Vielzahl von lang- und kurzfaserverstärkten Kunststoffen am Markt zur Verfügung, die immer wieder etablierte Polyamid- und Polyesteranwendungen, bei denen nicht die volle Leistungsfähigkeit des Polyamids genutzt wurde, substituieren. Für einige Anwendungen reicht das Festigkeitsniveau von PP-Compounds nicht aus. Insbesondere die Neigung des PP zum Kriechen stellt für den Konstrukteur eine Herausforderung dar. Diese Lücke zwischen Polyamid und Polypropylen schließt Akro-Plastic, Niederzissen, mit dem dichtereduzierten Polyamid-Blend Akromid Lite, das je nach Type das Gewicht der Bauteile um bis zu 10 Prozent senkt. Bei der Herstellung des Blends wird ein funktionalisiertes PP chemisch an das PA-Molekül aufgepfropft. Die beim Compoundeur zum Einsatz kommenden Extruder aus dem Hause Feddem, Sinzig, schaffen dabei den Spagat zwischen einer optimierten Verteilung des Polypropylens und der schonenden Einarbeitung der Glasfasern in diese Matrix.

Dünnwandige Bauteile leicht füllen

Das PA/PP-Blend zeigt eine bessere Fließfähigkeit als das Compound aus reinem Polyamid und ermöglichst somit, dünnwandige Bauteile leicht zu füllen. Auch die gemessenen Festigkeiten erreichen ein hohes Niveau. Der eigentliche Vorteil liegt allerdings in der geringeren Wasseraufnahme. Dadurch ist nicht nur die Dimensionsstabilität des hieraus gefertigten Bauteils höher, auch der Unterschied der Festigkeiten zwischen spritzfrischen und konditionierten Bauteilen ist geringer. Typischerweise erreicht ein PA6-GF30 konditioniert Zugfestigkeitswerte von 100 MPa, das Akromid B3 GF 30 1 Lite sogar 105 MPa. Somit liegt die Festigkeit sogar mit 17 Prozent über denen von vergleichbaren PA/PP-Blends. Grafik 1 Eine weitere Besonderheit des Blends auf Basis PA 6 besteht darin, dass die Wärmeformbeständigkeit HDT A nach ISO 75-2 immer noch bei 202 °C liegt und nicht durch den PP-Anteil abfällt.

Sparen ohne weitere Investitionen

Die Polyamid-Blends auf Basis PA 6.6 zeigen die gleichen mechanischen Eigenschaften und fließen noch besser als Blends auf Basis PA 6. Dies ermutigte auch die Kunststofftechnik Backhaus, Kierspe, das Material in einem Zargenwerkzeug für Transporter zu testen. Beim Verarbeiten des A3 GF 30 1 Lite schwarz zeigt sich ein geringerer Druckbedarf als bei dem zuvor eingesetzten Standard PA6.6-GF30. Wichtiger ist es allerdings, dass die Zarge nun 9 Prozent leichter ist und somit bei Umstellung auf das neue Material, je nach Größe des Bauteils, 100 bis 200 g pro Fahrzeug eingespart werden können. Und dies, ohne weitere Investitionen, wie es beispielsweise beim Mucell-Verfahren notwendig wäre. Wer jedoch die zusätzlichen Investitionen in diese Technologie nicht scheut, kann in Kombination von Material und Prozess dann bei dieser Lüfterzarge bis zu 13 Prozent Gewicht einsparen.

Die verstärkten Typen mit bis zu 40 Prozent Glasfaserverstärkung bieten zudem einen Vorteil in Bezug auf die chemische Beständigkeit. Im Gegensatz zu Standard PA6- und PA6.6-Compounds sind sie beständig gegen Streusalze wie CaCl2 und ZnCl2. Die chemische Beständigkeit des Akromid A3 GF 30 4 L ist sogar so hoch, dass auch die anspruchsvolle Norm von Volkswagen für Hydrolysebeständigkeit bei 135°C (TL 52682 Stand 2011) erfüllt werden kann, und somit für zukünftige Zargenkonstruktionen sogar integrierte Leitungen denkbar sind.

Gewichtsreduktionen von bis zu 20 Prozent sind möglich

Das Streben nach Gewichtsreduktion hat die Entwicklungsabteilungen von Akro-Plastic und AF-Color dazu bewegt, das Blend auch in Kombination mit Treibmittel-Masterbatch aus der Produktfamilie AF-Complex zu testen. Denn auch die Zugabe des Treibmittels bietet die Möglichkeit, das Gewicht von Bauteilen weiter zu senken. So ergab die Zugabe von vier Prozent des Treibmittels in einem 30 Prozent glasfaserverstärktem PA/PP-Blend eine Gewichtseinsparung um weitere 12 Prozent. An einem Zugstab wurde somit ein Gewichtsvorteil von 20 Prozent realisiert, ohne Biegesteifigkeit zu verlieren. Es ist allerdings zu beachten, dass die Oberflächenbeschaffenheit bei allen genannten Schäumverfahren leidet, da es sich nur schwer vermeiden lässt, dass die Schaumstruktur an die Oberfläche tritt. Für Sichtbauteile, zum Beispiel im Automobilinnenraum, ist es hingegen besonders wichtig, dass Ästhetik und Anmutung der Oberflächen einwandfrei ist. Für diesen Anwendungsbereich hat Müller Technik, Steinfeld, die Lite Type an verschiedenen Sitzanbauteilen getestet. Die Ansprüche an Oberfläche und Mechanik konnten erfüllt werden. Die gefertigten Sitzverstellhebel aus dem Polyamid-Blend B3 GF 15 2 Lite ergaben bei gleichbleibender Zykluszeit einen Gewichtsvorteil von neun Prozent.

 

„Die Resistenz der neuen Polyamid-Blends sehen wir als
einen entscheidenden Vorteil, um die Qualität unserer Lüfter und Zargen, die jederzeit mit Streusalz in Kontakt kommen können, zu erhöhen.“

Berrit Below, Leiterin der Verfahrenstechnik bei Backhaus

 

Technik im Detail

Bei einer Einlagerung von Probekörpern, die an die SAE 2044 200 Stunden in ZnCl2-Lösung anlehnend getestet wurden, sind auf dem linken Bild keine Risse oder Mikrorisse zu erkennen, wogegen das Standard PA6.6-GF30 bereits nach zwei Stunden in derselben Lösung durch Spannungsrisse zerstört wird.

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Über den Autor

Thilo Stier ist Bereichsleiter Innovation und Vertrieb bei Akro-Plastic, Niederzissen thilo. stier@akro-plastic.com