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Mobilität – als Megatrend bezeichnet, dominiert auch neueste Entwicklungen von Kunststoffen für den Einsatz in Automobilen. Für Elektrofahrzeuge sind besonders leichte Bauteile nötig und wo möglich wird Metall durch Kunststoff ersetzt. Das betrifft sichtbare Bauteile wie Scheiben, Felgen oder Reifen, oder Bauteile für das Interieur, so wie auch Werkstoffe für den Motorraum oder die Karosserie. Allerdings sind bei Werkstoffen für den Innenraum weitere Anforderungen wie Emissionsarmut oder angenehme Haptik wie Optik zu erfüllen. Für den Motorraum können nur besonders hitzestabile oder lösungsmittelbeständige Kunststoffe verwendet werden. Und für den Metallersatz generell gilt, dass nur Werkstoffe mit hoher Stabilität infrage kommen.

Rohstoffanbieter haben diese Trends erkannt und treiben ihre Entwicklungen in diese Richtungen voran. „Der Megatrend Mobilität ist ein bedeutender Bestandteil unserer Wachstumsstrategie. Aber Wachstum allein ist nicht ausreichend – es muss nachhaltig sein. Wir legen deshalb unseren Fokus auf Innovationen und Technologien, um neue Produkte zu entwickeln, die energiesparend sind und uns helfen, unsere Umwelt zu schützen“, erklärte Axel C. Heitmann, Vorstandsvorsitzender von Lanxess, beim politischen Jahresauftakt des Unternehmens zum Thema „Grüne Mobilität“.

Mit weniger Gewicht weiter kommen

Beim Thema Leichtbau greifen die Anbieter zahlreiche Ansatzpunkte auf. Ob neue Reifen, wie der Conti.e Contact für Elektrofahrzeuge oder Hybride, den ein deutlich gesenkter Rollwiderstand auszeichnet, oder Kunststoffe für Felgen, Scheiben oder Gangwahlhebel. Für letztere setzten die Kooperationspartner Leopold Kostal und EMS-Grivory den Werkstoff GVX-65H ein und optimierten das Bauteil durch verschiedene Moldflow- und Finite-Elemente- Analysen.

Für den Ersatz von Glas kommen Scheiben aus Polycarbonat oder Plexiglas infrage. Mit diesen Werkstoffen können bis zu 50 Prozent Gewicht eingespart werden. „Automobilscheiben aus unserem Polycarbonat können einen wichtigen Beitrag leisten, das bisher noch hohe Gewicht der Batterien von Elektroautos zu kompensieren“, erläutert Dr. Sven Gestermann, Key Account Manager im Bereich Automotive Glazing bei Bayer MaterialScience. „Ein wichtiges Ziel aktueller Entwicklungen ist es, die Reichweite der Fahrzeuge deutlich zu erhöhen.“

Auch Plexiglas spart deutliche Gewicht gegenüber Glas ein und zeichnet sich durch eine lange Gebrauchsdauer und Transparenz aus. Um das komplette Spektrum an Verscheibungen für den Automobilbau abdecken zu können, verfolgt ein Anbieter zwei Entwicklungslinien: monolithische und Multilayer- Systeme auf Basis von Plexiglas. Eine fünf Millimeter dicke und beschichtete Platte erhielt bereits die ECE R 43-Zertifizierung für Seiten-, Heckund Dachverscheibungen. In der Praxis werden diese Scheiben in einem Lotus auf der Rennstrecke getestet. „Aber wir sind natürlich weltweit mit Projekten unterwegs“, sagt Rudolf Blass, der im Geschäftsgebiet Acrylic Polymers für das Thema Automobil-Verscheibungen bei Evonik verantwortlich ist. „So ist unser Material beispielsweise in einem chinesischen Kleinwagen der Marke Chang´an bereits in Serie: als Scheibenelement in Verbindung mit der Heckleuchte, die gleichfalls aus Plexiglas gefertigt wird. Weitere Lösungen stehen in der Pipeline: Bereits heute lassen sich beispielsweise IR-reflektierende Verscheibungen und integrierte Fotovoltaikzellen im Autodach realisieren. Funktionsintegration ist das Stichwort und den Möglichkeiten dafür ist noch lange keine Grenze gesetzt.“

Kunststofffelge für die Serienproduktion – leicht und stabil

Eine Felge aus thermoplastischem Kunststoff ist ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung. Für das Konzeptfahrzeug des neuen smart forvision entwickelten die Partner BASF und Daimler eine Vollkunststoff-Felge, die über 30 Prozent leichter ist als ein serienmäßiges Aluminiumrad. Sie bringt nur noch sechs Kilo auf die Waage und besteht aus dem neuen Spezial-Polyamid Ultramid Structure. Die deutliche Gewichtsreduktion des Fahrzeugs von insgesamt 12 Kilogramm mindert bei konventionellem Antrieb den Kraftstoffverbrauch, im Fall eines batteriegetriebenen Autos wie dem smart forvision erhöht das die Reichweite. Die komplette Felge ist zweischalig aufgebaut: Über dem eigentlichen Trägerteil befindet sich eine Designblende, die ebenfalls aus Ultramid besteht. Beide Teile haben eine tragende Funktion und müssen hohe Belastungen im Fahrbetrieb überstehen. Die Designblende lässt sich in beliebigen Wagenfarben lackieren. „Im Rennsport und bei Kleinserien gibt es schon erste Felgen aus duroplastischem Kunststoff“, erklärt Heiko Heß, bei der BASF für die Rad-Entwicklung verantwortlich. „Allerdings sind sie gegenüber thermoplastischen Felgen, die im Spritzguss hergestellt werden können, deutlich aufwändiger, damit auch teurer in der Fertigung und für den Großserieneinsatz ungeeignet.“

Bei der Auslegung dieser hochbelastbaren Ultramid-Felge kam, wie bei zahlreichen Ultramid-Bauteilen in den letzten Jahren, das inzwischen universell einsetzbare Simulationsinstrument Ultrasim zum Einsatz. Mit Hilfe einer Topologie- Optimierung ließen sich Gestalt und Position der Verrippung der Kunststoff- Felge am Computer vorhersagen und optimieren – ohne Abstriche am Design. Die Form des Rads war so bereits in einer frühen Konstruktionsphase definiert und musste am realen Teil nur geringfügig nachjustiert werden. Das hochsicherheitsrelevante Bauteil, das in dieser Form bisher nur in Metall existiert, entstand daher – in enger Zusammenarbeit mit den Daimler-Felgenexperten – nach einer sehr kurzen Entwicklungszeit. Zu den umfangreichen Belastungstests, die das Rad auf den Prüfständen bei smart und BASF zu überstehen hatte, gehören die Toleranzprüfung auf der Radmessmaschine, die Lebensdauerprüfung auf dem zweiachsialen Radprüfstand (ZWARP-Test), die Biegeumlaufprüfung, der Impactund der Radialschlag-Test im Fallturm sowie die Berstdruckprüfung. Die Ankopplung und damit die Kraftübertragung zur Achse erfolgt durch Metalleinleger und Schrauben.

Stabil und im Crashtest überzeugend

Für Stabilität im Leichtbau sind einerseits die Rohstoffe selbst, aber auch die Verarbeitung und Formgebung von entscheidender Bedeutung. Und daher bieten Chemieunternehmen inzwischen nicht nur die Kompetenz für Werkstoffe, sondern auch für deren Verarbeitung und Konstruktion an. Ein umfangreiches Servicepaket bietet Lanxess unter dem Namen Hi Ant an. „ Wir wollen herausstellen, welche Vorteile Kunden haben, die unser Knowhow bei Materialien, Simulationstechniken, Konstruktion, Fertigungsverfahren und Anwendungstechnologien nutzen“, erklärte Lars Kraus, Leiter des Technical Marketing Services in der Business Unit Semi-Crystalline Products bei Lanxess.

Jüngstes Beispiel der Expertise hinter Hi Ant ist ein Durchbruch beim Umformen von langglasfaserverstärkten Organoblechen. Die Experten des Rohstoffanbieters können nun diesen komplexen Prozess simulieren und berechnen, wie die Glasfasern nach dem Verformen orientiert sind. Dies ist Voraussetzung, um in einem nachfolgenden Spritzgießschritt mit Polyamid zu hochbelastbaren und leichten Organoblech- Hybrid-Strukturbauteilen wie etwa Automobil-Schweller oder -BSäulen zu kommen. „Wir erwarten, dass leichte Organoblech-Hybridteile im Automobilbau in vielen Fällen eine kostengünstige Alternative zu carbonfaserverstärkten duroplastischen Komponenten sind“, so Kraus.

Stabil muss auch das elektrohydraulische Vario-Dachsystem des Mercedes SLK Cabriolets in der Basisversion mit einem rund 0,8 Quadratmeter großen Dachmodulelement aus Bayblend T85 XS sein. Im Crash-Fall überzeugt das Dachmodulelement durch eine hohe Energieaufnahme. Davon profitiert die Sicherheit, weil es nicht zu einem Versagen des Bauteils durch Bruch kommt. „Die Bruchsicherheit leitet sich aus der hohen Zähigkeit unseres PC+ABSBlends ab, die auch in der Kälte bei extremen Minustemperaturen erhalten bleibt“, so Schulten. Das unverstärkte Material wird wegen seiner Formbeständigkeitstemperatur von 127 °C (0,45 MPa, ISO 75-1,-2) den hohen Wärmeanforderungen an horizontale Karosseriebauteile aus Kunststoff geAutoinnenrecht. Eine weitere Stärke ist neben der hohen Chemikalien- und Spannungsrissbeständigkeit die im Vergleich zum Standardmaterial um 10 bis 15 Prozent bessere Fließfähigkeit. „Sie erlaubt in Kombination mit unserem Verarbeitungs- Know-how beim Spritzprägen eine wirtschaftliche Produktion großflächiger spannungs- und verzugsarmer Formteile mit hervorragender Oberflächenqualität in kurzen Zykluszeiten“, sagt Hans Zilch-Bremer, der bei Peguform als Key Account Manager für Daimler die Entwicklung des Dachelements maßgeblich begleitete.

In die gleiche Richtung zielen die Rohstoffe der Polyamid-6-Familie, wie Ultramid B3ZG7 CR, Ultramid B3ZG3 CR oder Ultramid B3ZG10 CR, mit 35, 15 und 50 Prozent Glasfasern verstärkt. Zunächst in erster Linie für Anwendungen an der Karosserie rund um das Thema Fußgängerschutz entwickelt, sind die hochfesten Kunststoffe jedoch auch anderswo an crashrelevanten Bauteilen am Fahrzeug einsetzbar, am Lenkrad, als Struktureinleger oder am Sitz: Überall dort, wo es um hohe und schnelle Energieaufnahme geht. Zur Materialentwicklung und -prüfung hat die BASF eigens für die neuen crashoptimierten Typen einen Biege- und Torsionsträger entwickelt. Das Test- Bauteil, das auch für Versuche bei Kunden eingesetzt werden kann, erinnert an den Pariser Eiffelturm und weist eine 45°-Verrippung auf. Während sich das klassische CR-Material Ultramid B3WG6 CR im statischen Torsionsversuch bereits um knapp 150° verdrehen lässt ohne zu brechen, überstehen die neuen Kunststoff-Typen unbeschadet ein Verdrillen um den enormen Winkel von bis zu 240°. Es gibt zurzeit kaum andere Materialklassen im Markt, die diese Belastung heil überstehen, erklärt der Anbieter. Das Bauteil, an dem diese Versuche durchgeführt werden, ist mit dem universell einsetzbaren Simulationswerkzeugs Ultrasim auf eine belastungsgerechte Topologie hin optimiert worden.

Nicht nur schön

Neben Gewicht und Belastbarkeit zielen die Entwicklungen der Rohstoffanbieter auch in Richtung Verarbeitbarkeit und weitere Einsatzmöglichkeiten. Das schlagzähmodifizierte Polyacetal Delrin 300 TE beispielsweise erfüllt die Anforderungen für den Einsatz im Kfz- Innenraum. Dazu Hans-Hermann Kirgener, Leiter Materialentwicklung Kfz- Innenraum bei DuPont: „Angesichts steigender Qualitätsansprüche der Verbraucher setzt die Automobilindustrie heute extrem niedrige Grenzen für die Emissionen flüchtiger organischer Substanzen (VOC). Proben des neuen schlagzähen Polyacetals ergaben in Tests des Instituts Fresenius in Herten Formaldehydemissionen von 1,0 mg/m2 und weniger. Die Ergebnisse unterschreiten deutlich den von führenden deutschen OEM als Obergrenze festgelegten Richtwert von 2,0 mg/m2. Damit erfüllt dieses neue Material die weltweit strengsten diesbezüglich geltenden Anforderungen der Branche.“ Auch das Low Emission PP Compound der Grafe- Gruppe zeichnet sich durch eine geringe Emission für den Einsatz von Luftführungen und Kanälen im Fahrzeugbau aus.

Dazu sind Gestaltungsfreiheit und Design Anforderungen, welche die Rohstoffanbieter erfüllen. So erlaubt die im Vergleich zu Glas und Metall größeren Formgebungsmöglichkeit von Polycarbonat großflächige, komplex geformter 3D-Karosserie-Aussenteile mit integrierten Scheibenelementen für E-Mobile. „Diese Bauteile können als unverwechselbares Stilelement das Erscheinungsbild von Fahrzeugen im Sinne eines Markendesigns prägen“, so Dr. Sven Gestermann. Ein weiterer Freiheitsgrad beim Fahrzeugdesign ergibt sich aus der praktisch freien Farbwahl in der Einfärbung von Polycarbonat.

Dagegen werden Glasscheiben für Automobile nur in wenigen Standardfarben angeboten. Speziell für Polycarbonat- Scheiben hat Bayer MaterialScience transparent getönte Farben entwickelt, die einen großen Anteil der Infrarot (IR)-Strahlung des Sonnenlichtes herausfiltern, so dass sich der Autoinnenraum bei Sonnenschein nicht so stark aufheizt, was wiederrum die Lüftungs- und Klimaanlage bei Sonnenhitze entlastet. Glanz und Farbgebung sind auch wesentliche Merkmale des Styrolkunststoffs Luran HH 120. Den Werkstoff stellt ein Joint -Venture zwischen BASF, Ineos und Styrolkunststoff- Unternehmen her. Dieser wird im Exterieur von Skoda-Fahrzeugen, wie Spiegeldreiecke, Spoilerbauteile sowie Zierleisten, aber auch für Rahmen und Radioblenden im Innenraum eingesetzt. Er lässt sich tiefschwarz glänzend einfärben und zeichnet sich durch Wärme- und UV-Beständigkeit, Chemiekalienresistenz und Kratzfestigkeit aus.

Ein hochwertiger metallischer Effekt lässt sich mit dem Einsatz des polypropylen-basierten Compounds Daplen EH 104AE- 0515, zum Beispiel beim Peugeot 206+ erzielen. Der Werkstoff enthält ein Pigment, das dem Autohersteller den Lackierprozess erspart. „Die Verwendung eines metallisch eingefärbten Kunststoff- Compounds für ästhetische Teile erfordert ein hoch fließfähiges Material, damit die Bindenähte auf ein Minimum reduziert werden können“, erläutert Thomas Rothmayer, Senior Application Development Engineer bei Borealis. „Das Fließverhalten erlaubt die Herstellung des Bauteils mit weniger Anspritzpunkten bei gleichbleibend niedrigem Druckniveau.“

Eine hohe Chemikalienbeständigkeit kombiniert mit Kratzfestigkeit bieten Cover Form-Oberflächen. Die Systemlösung ist eine gemeinsame Entwicklung von Evonik und dem Maschinenhersteller KrausMaffei. Bei dem Verfahren werden Bauteile aus Plexiglas cf Formmasse direkt im Spritzgießwerkzeug mit einem Lösemittelfreien Mehrkomponenten- Reaktivsystem auf Acrylatbasis beschichtet. Im Labortest wurden Gleitverschleiß, Beschädigungen durch Sand und die Ritzhärte überprüft. Dabei zeigte sich, dass die Beschichtungen deutlich geringere Eindringtiefen als vergleichbare Produkte aus PMMA mit herkömmlicher Kratzfestbeschichtung oder PC mit Polysiloxanbeschichtung aufwiesen. Auch der Test auf chemische Beständigkeit durch Sonnen- oder Handcreme verlief positiv.

Gegen Hitze, Lösungsmittel und Feuchtigkeit resistent

Außerdem sind Anforderungen wie Hitze- und Lösungsmittelresistenz für Automobilbauer von Bedeutung und das kombiniert mit ansprechenden Oberflächen. So lassen sich beispielsweise die langkettigen Polyamide wie Grilamid L PA12 oder Grilamid 2D PA612 als Steckverbinder für Medienleitungen im Automobil, wie Öl- oder Kühlsysteme einsetzen. Für den Thermostat eines bestehenden Kühlsystems für Mazda entwickelte Fishman TT ein Gehäuse, das unter der Motorhaube platziert, in einem extrem breiten Temperaturfenster der Kühlflüssigkeiten zwischen -40°C und über 150°C bestehen kann. Fishman TT entschied sich nach verschiedenen Testreihen für Grivory HT1V-3 HY schwarz / HT1V-45 HY schwarz. Dazu erklärte Shai Zemanek, der bei AIT Chemicals den Verkauf und die technische Beratung verantwortet: „Ausschlaggebend für die guten Testergebnisse und die Kundenwahl waren die große Wärmestabilität, die durch eine spezielle Hitzestabilisierung des Materials erzielt wird, und die hohe Schlagfestigkeit.“

Gegen hohe Temperaturen bis 220°C ist auch das Ultramid Endure D3G10 mit 50 Prozent Glasfaseranteil stabil und für den Einsatz in Motornähe geeignet. Für eine Leitung, die an die Zylinderkopfhaube angeschlossen wird, wurde das Thermoplast V-PTS-Creamid B3H2G3ZBM9000 für den Einsatz in Fahrzeugen von Mini und BMW entwickelt. Das Material muss kurzzeitig auftretende Spitzentemperaturen von mehr als 260°C schadlos überstehen. Flammgeschützte Thermoplaste sind wegen der starken Ströme und hohen Spannungen im Bereich der Batterie und des Antriebs für Elektroautos einsatzfähig. Aus verzugsarmen, verstärkten und flammgeschützten Polyamid 6 Durethan wurde eine Batterie- Trenneinheit (Battery Disconnect Unit) gefertigt, die im Falle eines Crashs den Stromfluss von der Batterie zum Elektromotor unterbricht. Für das Gehäuse der Sicherheitssteuerung mit Stabilitätsprogramm von Bosch entschied sich der Hersteller für das hydrolysestabile Ultradur B4330G6 HR. Der Kunststoff der PBTFamilie zeigt im Langzeittest bei 85°C und 85 Prozent Luftfeuchte keine nennenswerten Alterungserscheinungen, so der Anbieter.

Die Übersicht zeigt, dass Kunststoffe im Automobilbau diverse Anforderungen erfüllen müssen. Möglichst effiziente Fahrzeuge zu konstruieren ist dabei das treibende Entwicklungsziel alle Akteure, besonders hinsichtlich der aufkommenden Elektrofahrzeuge. Für Kunststofflieferanten gilt es jedoch, nicht nur kompetent in Sachen Rohstoff zu sein, sondern auch im gesamten Verarbeitungs- und Konstruktionsprozess unterstützend zu wirken.

Über den Autor

Dr. Etwina Gandert