Herzliche Willkommen im Rosengarten in Mannheim Rosengarten zur PIAE 2018. (Bildquelle: Redaktion Plastverarbeiter/Dr. Etwina Gandert)

Herzliche Willkommen im Rosengarten in Mannheim Rosengarten zur PIAE 2018. (Bildquelle: Redaktion Plastverarbeiter/Dr. Etwina Gandert)

Mit rund 1.400 Teilnehmern und über 110 Ausstellern aus 14 Ländern knüpfte der VDI Kongress Kunststoffe im Automobilbau unter dem neuem Namen PIAE 2018 an eine 40-jährige Erfolgsgeschichte an. Mit dem neuen Titel Plastics In Automotive Engineering will das VDI-Wissensforum jetzt einen klaren Fokus auf die Internationalisierung legen.

Fahrzeugkonzepte  für eine vielfältigere Mobilität

Teil der Ausstellung war auch dieses Jahr wieder der Autosalon. Hier präsentierten Hersteller neue Modelle und Highlights der Automobilindustrie und Beispiele in Richtung der automobilen Megatrends wie Elektrifizierung, Automatisierung und Digitalisierung. „Die Fahrzeugkonzepte der Zukunft werden nach meiner Einschätzung eine noch vielfältigere Mobilität bieten“, so Thomas Drescher, neuer Tagungsleiter der PIAE und Leiter des Bereichs Fahrzeugtechnik von Volkswagen in Wolfsburg. In seinem Vortrag ging er insbesondere auf die Herausforderungen an die Materialien für die Fahrzeugkonzepte der Zukunft ein. Diese beschrieb er als „Smartphones auf Rädern, leicht und intuitiv zu bedienen, mit Sprach- und Gestensteuerung. Sie sind lernfähig, da sie künstliche Intelligenz an Bord haben.“

Werkstoff-Kombination zu hybriden Bauteilen

Funktionale Kunststoffe sind dafür unentbehrlich. Eine Schlüsselfunktion nimmt Kunststoff auch im Leichtbau ein. Besonders interessant sind für Branchenexperten die Kombinationen aus Metall und Kunststoff. „Sie bieten ein hohes Potenzial hinsichtlich bezahlbaren Leichtbaus in Verbindung mit Funktionsintegration“, hob Joachim Melzig, Leiter des Bereichs Vorentwicklung Interieur Hausfertigung der BMW Group Landshut auf der Pressekonferenz der PIAE 2018 hervor.  Die BMW Group hat in dem Sondermodell des aktuellen BMW M4 erstmalig ein Tragrohr aus 100% Kunststoff im Einsatz. Hier wird eine ehemals Stahl-Schweißkonstruktion durch eine vergleichbare Struktur aus einem thermoplastischen Hochleistungswerkstoff mit einem relativ hohen Glasfaseranteil ersetzt. „Doch mit Blick auf einen Großserieneinsatz, in dem man sowohl eine Magnesiumkonstruktion als auch eine Stahlvariante durch Kunststoff ersetzen möchte, ist die Wirtschaftlichkeit aufgrund des hohen Materialpreises nur sehr schwer erreichbar bzw. nicht gegeben“, so Melzig. „Der hier eingesetzte Kunststoff ist nicht nur hochpreisig, sondern auch hinsichtlich seiner Verarbeitung ein sehr sensibles Material. Insbesondere die Verweilzeit und Temperaturführung in Spritzgussaggregat und Heißkanalsystem stellen eine besondere Herausforderung dar. Darüber hinaus ist die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des Kunststoff Tragrohres von der vorherrschenden Temperatur im Fahrzeuginnenraum deutlich höher im Vergleich zu einer Metalllösung. Neben anderen Aggregaten und Bauteilen wird auch die Lenksäule an der Tragstruktur befestigt. Ohne die schon im oben genannten Fahrzeug ohnehin vorhandenen Versteifungsmaßnahmen, müsste man zur Vermeidung von Lenksäulenschwingungen Metallelemente in das Kunststoffteil integrieren.“

In der Weiterentwicklung des Projekts wurde eine Metall-Kunststofflösung gefunden. Für die Übertragung von höheren statischen und vor allem dynamischen Kräften auf der Fahrerseite entschieden sich die Entwickler für eine Lösung mit einem höheren Metallanteil im Lenksäulenbereich. Im Gegenzug dazu konnte auf der Beifahrerseite ein günstiger Kunststoff mit Glasfaserfüllung eingesetzt werden. Melzig erläuterte: „Der eingangs erwähnte Hochleistungswerkstoff bietet aufgrund seiner hohen Kosten, der relativ hohen Dichte und der restlichen physikalischen Eigenschaften kaum eine Chance zur weiteren Integration von Funktionen. Auf Basis der hier beschriebenen Metall-Kunststoff Hybrid Bauweise ist es nun aber möglich, weitere Potenziale zu heben. Aufgrund der Eigenschaften und der Kosten des gewählten Kunststoffes können Bauteile und weitere Funktionselemente mit der Tragstruktur in einem Prozessschritt hergestellt werden.“ Ein wesentlicher Aspekt zur Umsetzung von Hybridstrukturen ist die intensive, Fachbereichs übergreifende Zusammenarbeit unterschiedlicher Technologien.


Eindrücke von der PIAE 2018


Die wirtschaftlichste Lösung finden

Die Definition solcher hybriden Bauteile ist jedoch vielfältig, sagte Drescher in der Diskussion. „Reine Stahl-basierte Karosseriekonzepte bieten Vorteile bei der Rohstofferzeugung und sind somit nachhaltig für die Großvolumenfertigung. Aluminiumbasierte Karosserien bieten Gewichtsvorteile, sind aber in der Rohstofferzeugung, insbesondere von Primäraluminium, aufwendiger.“ Lange Zeit galt deshalb der Stahl-Aluminium-Mischbau als die sinnvollste Lösung für mittlere Stückzahlen. Faserkunststoffverbund-Werkstoffe bis hin zu CFK bieten aufgrund ihres formgebenden Herstellungsverfahren Integrationspotenziale und damit Leichtbau-Chancen.

Denn der Einsatz großserienfähiger Leichtbaulösungen in der Automobilindustrie ist eine wesentliche Voraussetzung für das Erreichen der ambitionierten Zielstellungen zur weiteren Reduzierung des Fahrzeuggewichtes. „Zur Realisierung hoher Leichtbaugrade sind aber die Entwicklung und die technologische Umsetzung neuer Bauweisen- und Fertigungskonzepte unter Nutzung moderner Werkstoffsysteme unabdingbar“, ergänzte Prof. Dr.-Ing. Niels Modler von der TU Dresden. Im Rahmen des durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts Q-Pro hatte ein interdisziplinäres Team aus Industrie und Wissenschaft unter Federführung der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG und des Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) eine neuartige Leichtbau-A-Säule in der neuen 3D-Hybrid-Bauweise entwickelt, deren hochkomplexe Bauteilstruktur in einem vollständig automatisierten und qualitätsüberwachten Fertigungsprozess hergestellt wurde.  „Die im Q-Pro-Vorhaben entwickelten Methoden erlauben eine frühzeitige Analyse und Bestimmung der signifikanten Prozess- und Qualitätsparameter, wodurch eine wesentliche Grundlage für eine effiziente Prozessentwicklung geschaffen wird.“

Abschließend fasste Drescher zusammen: „Hybride Bauteile bieten dank der Kombination verschiedener Werkstoffgruppen neue Potenziale: Kombinationen aus Stahl, Alu, Kunststoff, Fasern, etc. können die Vorteile der jeweiligen Materialien nutzen. Die Verbindung aus formgebenden und umformenden Herstellverfahren ermöglichen komplexere Bauteile. Hybride Bauteile bieten zudem Chancen, den Montageaufwand in der Produktion zu erleichtern und Werkzeugkosten zu reduzieren.“

Highlights von der Ausstellung

Im angegliederten Automobilsalon konnten die Teilnehmer konkrete Einblicke in die Kunststoffinnovationen der Branche erhalten. Das VW Future Interior Concept beispielsweise vermittelt einen Eindruck, wie wir zukünftig reisen könnten. Das loungeartige Interieur des Concept-Cars ist ausgestattet mit vier individuell dreh- und senkbaren Sitzen. In der Vorstellung der VW Designer fährt das Fahrzeug außerhalb der Innenstadt autonom; Lenkrad und Bedienelemente werden dann einfach eingefahren. Der Fahrer der Zukunft kann so die neu geschaffenen Freiräume zum Entspannen oder Arbeiten nutzen.

An der Sample Bar von Covestro, Leverkusen, konnten die Besucher  zahlreiche Muster sehen und fühlen, um die faszinierenden Eigenschaften heutiger Kunststoffe kennenzulernen. Erstmalig als Aussteller dabei war in diesem Jahr die Open Hybrid Lab Factory e.V. (OHLF),  Wolfsburg. Auf dem sogenannten Leichtbaucampus in Wolfsburg entwickelt die OHLF unter anderem Hybridbauteile und Produktionstechniken für große Automobilbauer. Auf einer Sonderfläche der Fachaustellung präsentierte OHLF innovationen rund um das Thema multifunktionaler Leichtbau. Der Polymerspezialist Rehau präsentierte auf dem Messestand seine Innovationen für den Bereich Automotive. Trinseo, Schkopau,  stellte auf der Fachaustellung sein neues TPE-Portfolio für automobile Anwendungen vor.

Ein thematisches Highlight auf dem Stand von Lanxess, Köln, war die Hohlprofil-Hybridtechnik. Diese neue Prozess- und Leichtbautechnologie für die automobile Großserie ist eine Weiterentwicklung der Kunststoff-Metall-Hybridtechnik. Statt Stahlblech kommen – zusammen mit Polyamid 6 – metallische Hohlprofile mit runden und eckigen Querschnitten zum Einsatz. „Die formstabileren Hohlprofile führen zu Hybridbauteilen, die deutlich torsionssteifer und -fester sind. Großes Anwendungspotenzial sehen wir zum Beispiel bei Bauteilen wie Instrumententafelträgern, die in klassischer Hybridbauweise mechanisch nicht genügend belastbar wären“, sagte  Dr. Martin Wanders, Leiter der globalen Anwendungsentwicklung im Geschäftsbereich High Performance Materials. Der von dem Rohstoffanbieter entwickelte Prozess ist ähnlich zu beherrschen wie die klassische Hybridtechnik. Die Investitionen in Anlagen sind gering und die Zykluszeiten so kurz wie beim Standard-Spritzguss.

BASF, Ludwigshafen,  legte in der Ausstellung einen Schwerpunkt auf die Simulation von Werkstoff-Verhalten. Das Simulationswerkzeug Ultrasim ist bereits seit Längerem in der Lage, genaue Berechnungen über das anisotrope mechanische Verhalten von fasergefüllten Kunststoffen nach der Herstellung im Spritzguss-Prozess zu machen. Nun kommt ein weiterer Service hinzu: Dank eines thermomechanischen Modells für faserverstärkte, thermoplastische Kunststoffe lassen sich präzise Vorhersagen zur temperaturabhängigen Verformung simulieren. Ein großer Vorteil für Kunden: Sie können nun bereits in der Entwicklungsphase von Bauteilen mögliche Schwachstellen virtuell erkennen und vor der Serienfertigung vermeiden. Das neue Modul berücksichtigt das komplexe thermomechanische Materialverhalten, den Einfluss der anisotropen Faserorientierung sowie Temperaturverteilungen und -änderungen im Bauteil.

Ein zweites neues Tool der Software dient zur Schäumsimulation von Polyurethansystemen. Das Modul kann das Aufschäumen und Aushärten der Weichintegralschaumsysteme Elastofoam I für Automobil-Lenkräder präzise vorhersagen. Mit der detaillierten Simulation können sowohl die wichtigsten chemischen Reaktionen als auch das Fließverhalten des Polyurethanschaums im Werkzeug berechnet werden. Dabei werden an jeder Stelle des Werkzeugs Prozess- und Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Druck und Materialkonzentration sowie Bauteilspezifika wie Metallskelett und Kabel berücksichtigt.

Dr. Etwina Gandert

Über den Autor

Dr. Etwina Gandert

ist Redakteurin Plastverarbeiter.

etwina.gandert@huethig.de