März 2014

Die Reduzierung von Kosten und Gewicht spielen in der Automobilindustrie eine große Rolle. Das gilt auch für den Interieur-Bereich. Um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, entwickelt Johnson Controls, Neuss, die Produktionsprozesse kontinuierlich weiter. So werden einzelne Prozessstufen zusammengefasst, der Automatisierungsgrad wird erhöht und es entstehen sogenannte hybride Herstellungsverfahren, die verschiedene Fertigungsabläufe kombinieren. Um darüber hinaus weiterhin wettbewerbsfähig zu bleiben, ist neben neu entwickelten Produktionsverfahren aber auch die globale Verfügbarkeit zu gleichen Bedingungen eine große Herausforderung.

So ist die Türinnenverkleidung des aktuellen BMW 3er die erste automobile Serienanwendung, die mit einer hybriden Fertigungstechnologie gefertigt wurde. Eine genadelte Holzfasermatte mit Acrylharz-Binder wird in einem Werkzeug bei Temperaturen von 200 bis 220°C verpresst und danach in einer Spritzgussmaschine hinterspritzt. Dadurch erhält die Türverkleidung an den benötigten Stellen eine Rippenstruktur zur Verstärkung. Der Naturfaseranteil dieser sogenannten Fibrowood-Matte beträgt 70 Prozent. Im Vergleich zur Verwendung fossiler Rohstoffe ist dieses Verfahren relativ preisstabil. Die Matte zeichnet sich durch geringes Flächengewicht und gutes Crash-Verhalten aus.

Bei den nicht sichtbaren Elementen der Türverkleidungen für Limousine und Touring des neuen BMW 3er werden nachwachsende und damit umweltverträgliche Rohstoffe eingesetzt. Die Türverkleidung besteht aus einem direkt mit Kunststoff hinterspritztem Naturfaser-Träger. Durch dieses Produktionsverfahren wird das Bauteil um 20 Prozent leichter als herkömmliche Komponenten. In 2012 wurde Johnson Controls für diese Naturfaser-Türverkleidung von der Society of Plastics Engineers (SPE) ausgezeichnet. „Mit dieser Innovation unterstützen wir BMW dabei, den neuen 3er nachhaltiger zu gestalten. Auch kann durch die Gewichtseinsparung der Verbrauch deutlich reduziert werden“, sagt Dr. Werner Klusmeier, Manager Process Innovation Advanced Product Development bei Johnson Controls Automotive Electronics & Interiors.

Weiterentwicklung der Produktionsverfahren

Um den Anforderungen der Automobilindustrie auch zukünftig gerecht zu werden, wurden die hybriden Fertigungsverfahren bei Johnson Controls weiterentwickelt. Bei Fibrowood-Matten kommen kurzfaserige Holzwerkstoffe zum Einsatz, doch für eine weitere Gewichtsersparnis sind längere Fasern notwendig. Zudem benötigt das Fibrowood-Verfahren im Anschluss an die Fertigstellung eine Konditionierung, um ein bestimmtes Feuchtigkeitsniveau zu erreichen. Beim EcoCor-Verfahren, das bei der Türverkleidung für die aktuelle Mercedes C-Klasse eingesetzt wird, ist eine Konditionierung nicht nötig, da das Material 50 Prozent weniger Feuchtigkeit aufnimmt als Fibrowood-Matten. Das ist für den globalen Einsatz ein großer Vorteil.

Diese EcoCor-Matte ist eine thermoplastisch gebundene, formbare Matte aus Polypropylen und Naturfasern wie Flachs, Hanf und Kenaf, die bei hoher Luftfeuchtigkeit eine geringere Ausdehnung aufweisen und daher nicht so anfällig gegenüber klimatischen Bedingungen sind. Sie wird auf über 200° C erhitzt sowie anschließend in einem Werkzeug bei niedriger Temperatur verpresst und im Spritzgusswerkzeug direkt hinterspritzt. So können Retainer (Befestigungen) und weitere Trägerverstärkungen in einem Schritt auf den Träger angebracht werden. Das Gewicht des Trägerteils reduziert sich auf 1.400 g/m². Oberflächenmaterialien können klebstofffrei in einem einstufigen Verfahren aufgebracht werden. Die Türinnenverkleidung für die Mercedes C-Klasse ist das erste globale Programm von Johnson Controls, das zeitgleich in Europa, den USA, China und Südafrika gefertigt wird.

Für Automobilhersteller ist die globale Verfügbarkeit besonders wichtig, doch die klimatischen Bedingungen sind in China anders als beispielsweise in Europa. „Als wir mit der Entwicklung der Türinnenverkleidung anfingen, haben wir uns zunächst die globalen Klimadaten angeschaut. Daraus konnten wir herleiten, welche Materialeigenschaften wir für die Trägerteile benötigen“, erklärt Werner Klusmeier. „Infrage kamen nur leichte Werkstoffe, die sich bei Feuchtigkeit nicht zu sehr ausdehnen. Dazu haben wir die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten bei verschiedenen Feuchtigkeitsgraden ermittelt und sind zu dem Schluss gekommen, dass sich das EcoCor-Verfahren für den globalen Einsatz deutlich besser eignet als Fibrowood.“

Das Neusser Unternehmen hat viel unternommen, um eine globale Verfügbarkeit sicherzustellen. „Wir haben weltweit potenzielle Materialien getestet und Vergleiche zu China, den USA und Europa gezogen. Das Hauptproblem war: Was muss geändert werden, um vor Ort sämtliche Spezifikationen der Fahrzeughersteller zu erfüllen“, so Werner Klusmeier. Das Trägerteil soll weltweit die gleichen physikalischen Parameter aufweisen. Mit dem EcoCor-Verfahren für die neue Mercedes C-Klasse lassen sich diese Voraussetzungen erfüllen. Die Rohstoffe für den neuen Träger werden zunächst aus Deutschland bezogen und die Matten aus Europa zu den weltweiten Fertigungsstätten verschickt.

CHyM: Weiterentwicklung von Formpressverfahren

Nach den hybriden Fertigungsverfahren von Fibrowood und EcoCor ist als dritte Entwicklungsstufe das neue Hybrid-Formpressverfahren (Compression Hybrid Molding, CHyM) entstanden, das auf der IAA 2013 seine Europapremiere hatte. Das CHyM-Formpressverfahren für die Fertigung von Türinnenverkleidungen kombiniert die Vorteile von Naturfaserkomponenten und thermoplastischem Spritzguss. Die Innenraumkomponenten, die mit diesem Verfahren hergestellt werden, sind 40 Prozent leichter als Bauteile aus Spritzguss. In Relation zu Produkten vergleichbarer Preiskategorien bietet CHyM die höchste Festigkeit der Bauteile mit gleichzeitig verringertem Gewicht.

Die Gewichtsreduktion und die um 30 Prozent optimierte Steifigkeit vereinfachen den Einbau der Türverkleidung in die Rohkarosserie. Mit der Einführung des CHyM-Verfahrens bei einem Modell der oberen Mittelklasse eines deutschen Premiumherstellers sinkt das Gewicht der verwendeten Naturfasermatte auf 1.200 g/m². „Damit hat sich innerhalb von 20 Jahren das Gewicht der Trägerteile für Türinnenverkleidungen halbiert“, resümiert Werner Klusmeier. „Wir planen zudem, diesen Herstellungsprozess auch auf weitere Bauteile wie beispielsweise Lehnenabdeckungen und Instrumententafeln zu übertragen.“

Folienverfahren für zweifarbige Türverkleidungen

Neben diesen Produktionsprozessen für Trägerteile hat Johnson Controls auch ein völlig neues Verfahren entwickelt, das die qualitativ hochwertige und kosteneffiziente Applikation zweifarbiger Oberflächen auf einem einteiligen Träger ermöglicht. Die präzise Positionierung der sichtbaren farbigen Trennlinie in einer Nut erfordert keine Abdeckung mehr und sorgt bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten für Premium-Qualitätsanmutung. Anstatt zwei Verkleidungsteile mit unterschiedlichen Farben zu verwenden, ermöglicht das neue Folienverfahren den Einbau einer mehrfarbigen Türverkleidung mit konturierter Designlinie, die als komplettes Modul verbaut werden kann.

Um zweifarbige Türverkleidungen zu produzieren, mussten bislang zwei farbverschiedene Verkleidungsteile montiert und anschließend miteinander verschweißt werden. Die wenig ansehnliche Farbtrennlinie erforderte meist kostspielige Abdeckungen. Das zweifarbige Folienverfahren bietet im Gegensatz dazu auf einem Träger eine qualitativ hochwertige Farbtrennlinie durch die exakte Positionierung in einer Nut. Simulationsmethoden und neuartige Werkzeugtechnologien während des Produktentwicklungsprozesses sichern dabei ein gleichbleibend hochwertiges Produkt zu geringeren Kosten als bei heutigen zweifarbigen Lösungen. „Das neue Zweifarb-Verfahren ist bereits ab 2016 reif für die automobile Serienproduktion,“ merkt Werner Klusmeier an. Auch eine zukünftige Anwendung mit Folien aus thermoplastischem Polyolefin (TPO) ist möglich. Das optimierte Verfahren zum Herstellen zweifarbiger Türverkleidungen überzeugt neben dem Reduzieren von Gewicht, Kosten- und Logistikaufwand durch deutlich verbesserte NVH-Parameter und Crash-Performance.

Die Bedeutung nachwachsender und umweltverträglicher Rohstoffe, die die CO2-Bilanz der Produkte und Prozesse verbessern, wird zukünftig weiter steigen, ebenso wie der Anteil recycelbarer Materialien im Auto. Johnson Con-trols setzt nicht zuletzt auch im Hinblick auf globale Verfügbarkeit auf den Einsatz von Naturfasern, insbesondere Bastfasern wie Flachs, Hanf und Kenaf. Die nächsten Entwicklungsschritte sind Prozessoptimierungen bei Leichtbau und Prozessintegration. Zusätzlich wird an der Kombination unterschiedlicher Fasern untereinander sowie mit synthetischen Fasern geforscht, um die physikalischen Eigenschaften wie beispielsweise die Wärmebeständigkeit zu erhöhen. Neben nachhaltigen Kosten- und Gewichtsreduzierungen ist die Rohstoffunabhängigkeit ein wesentlicher Punkt. Die globale Verfügbarkeit ist wichtiger denn je, denn alle Fahrzeughersteller produzieren mittlerweile weltweit. Das Supply Chain Management muss daher für eine einheitliche Verfügbarkeit und Qualität der Naturfasern sorgen.

 

Wir setzen auf nachwachsende und damit besonders
umweltverträgliche Rohstoffe.

Werner Klusmeier, Manager Process Innovation Advanced Product Development, Johnson Controls Automotive Electronics & Interiors

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