Hightech mit Harz

Technik

Er ist über 100 Jahre alt und zählt trotzdem noch längst nicht zum alten Eisen. Im Gegenteil: Die Rede ist vom Kunststoff, der mittlerweile sogar den eisenhaltigen Materialen im automobilen Karosseriebau Paroli bietet.

06. April 2011

1909 erfand der belgische Chemiker Leo Hendrik Baekeland auf der Basis von Phenolharz das Bakelit. Die von ihm gegründete Bakelite GmbH fertigte in Erkner bei Berlin Kunststoffe für Radios, Telefone und Lichtschalter. Das Werk entwickelte später sogar eine spezielle Phenolharzmischung für den ›Trabant‹.

Das einstige Plastikimage ist längst passé, heute gehören Kunststoffe auch in Nobelkarossen zum Alltag. »Aktuell liegt der Kunststoffanteil im Auto bei 15 Gewichtsprozent«, rechnet Dr. Peter Orth, Regional Director (Central Region) von PlasticsEurope Deutschland e.V. in Frankfurt am Main, vor. »Dieser Anteil wird weiter steigen, denn der organische Werkstoff Kunststoff eröffnet dank seiner geringen Dichte und seiner Maßschneiderbarkeit nahezu unerschöpfliche Möglichkeiten.«

Die unerschöpflichen Möglichkeiten haben sogar die Stahlhersteller erkannt. Bereits seit 20 Jahren stellt ThyssenKrupp Steel Europe AG (TKS) unter dem Markennamen ›Bondal‹ einen Sandwich-Werkstoff mit einem hauchdünnen viskoelastischen Kunststoffkern (0,025 bis 0,050 mm) her, der allerdings nur zum Dämmen von Körperschall diente und wegen seiner geringen Biegesteifigkeit nicht für den Karosseriebau taugte.

Die Betonung liegt daher bei der noch namenlosen Sandwich-Neuentwicklung auf »steifigkeitsoptimiert«: Das neue Material kommt laut Oliver Kleinschmidt, Experte für Produkteinführung im Vertrieb Auto, für großflächige Außenhaut- und Innenteile der Fahrzeugkarosserie infrage. Es konkurriert hier mit dem Werkstoff Aluminium. Kleinschmidt: »Unser Ziel ist es, die Kosten gegenüber einer vergleichbaren Aluminiumlösung um 30 Prozent zu senken – bei maximal zehn Prozent mehr Gewicht.« Alles in allem geht es immerhin um ein Potenzial von 80 kg pro Fahrzeug.

Das Material besteht aus zwei 0,20 bis 0,25mm dünnen Stahldeckblechen und einem 0,40 bis 1,0mm starken Polymerkern. Man könne die Steifigkeit durch Variieren des Polymerkerns bei geringer Gewichtszunahme erhöhen. Der Sandwich-Verbund falle insgesamt nur geringfügig dicker als die bislang für die Karosserie-Außenhaut eingesetzten monolithischen Bleche aus. Beispiel: Im Vergleich zu einer aus 0,75 mm dickem monolithischem Stahl gefertigten Dach-Außenhaut senkt ein 1,05 mm dicker Sandwich-Werkstoff (0,20 mm Stahldeckblech Innenseite, 0,60 mm Polymerkern, 0,25 mm Stahldeckblech Außenseite) das Gewicht um ein Drittel.

Damit nicht genug. »Dank der hohen Steifigkeit des Sandwich-Blechs kann der Anwender auf den Einbau eines von mehreren Dachspriegeln komplett verzichten, sodass der Gewichtsvorteil der Sandwich-Modullösung auf 38 Prozent steigt«, erläutert der Fachmann. Ebenso wie Bondal dämpft der noch namenlose Werkstoffneuling den Körperschall. Der Karosserie-Entwickler kann beim Akustik-Package des Fahrzeugs also noch einmal Gewicht einsparen.

Die Pilotanlage im Dortmunder Oberflächencentrum (DOC) soll 2014 die erste Kleinserie fertigen. Beim Schrauben an den Prozessfenstern gibt es für die Sandwich-Pioniere ein wichtiges Ziel: »Der Werkstoff ist als Convenience-Material gedacht, das möglichst wenig Aufwand für die Umstellung erfordert«, erläutert Kleinschmidt. »Der Automobilhersteller soll den Sandwich-Werkstoff auf seiner bestehenden Anlage verarbeiten können.«

Im Kommen sind im automobilen Karosseriebau momentan besonders Strukturbauteile aus faserverstärktem Kunststoff. Hier kommt nun wieder das Harz ins Spiel, mit dem einmal alles anfing. So ist sich Frank Peters, Mitglied der Geschäftsführung der Kraussmaffei Technologies GmbH in München sicher, dass künftig eine Vielzahl von Teilen per Resin Transfer Moulding (RTM) entsteht. Die Rohstoffhersteller haben für den altbekannten Prozess neue reaktive Epoxidharze entwickelt, die deutlich schneller als bisher aushärten. »Die Aushärtezeit verkürzt sich von 30 auf knapp drei Minuten«, erklärt Peters. »Das Verfahren eignet sich damit für mittlere Serien bis 100000 PKW pro Jahr. Das RTM-Verfahren passt also sehr gut für elementare Strukturbauteile von Elektrofahrzeugen. Der Trend zu faserverstärkten Kunststoffen ist daher nicht mehr zu stoppen.« So erhielten die Münchner von OEMs bereits Aufträge für Anlagen für Prototypen und Serienbauteile.

Die Vorteile des thermoplastischen Spritzgießens kombiniert laut KraussMaffei der neuartige Organoblech-Produktionsprozess mit denen des Thermoformens endlosfaserverstärkter Halbzeuge zu einem wirtschaftlichen Verfahren für mechanisch hochstabile Bauteile im Auto, in Fördermitteln sowie in Maschinen. Die geometrisch komplexen Bauteile bieten eine hohe Festigkeit und ein starkes Energieabsorptionsvermögen bei deutlich reduziertem Gewicht im Vergleich zu Stahl- und Aluminium-Bauteilen und eignen sich besonders für dynamisch belastete Strukturbauteile. Per Inline-Spritzgießverfahren wird erwärmtes Organoblech im Werkzeug umgeformt und mit glasfaserverstärktem Polyamid umspritzt.

Das Unternehmen hat beispielsweise eine Kunststoffversion eines aktuellen Stahlstrukturbauteils eines Fahrzeuges hergestellt, das 20 Prozent leichter ausfällt. Es kommen aus einer voll automatisierbaren Maschine in kurzer Zeit (rund 60 Sekunden beim Technologieträger) gratfreie Bauteile in Endkontur, die in den Stegen eine Glasfaserverstärkung aufweisen und mit weiteren Funktionselementen versehen werden können. Die Wiederaufbereitung sei auch kein Problem. »Sie können das Bauteil in einer Mühle zerkleinern und die Glasfasern vom Thermoplast trennen, oder aber das Ganze in zerkleinerter Form als Produktionsabfall mit einem Anteil von maximal 20 Prozent zum Herstellen neuer Bauteile nutzen«, sagt Peters. Er lässt sich schon während des Spritzgießens lackieren, sodass die spätere externe Lackierung überflüssig wird.

Die Vorteile von Kunststoffen im Karosseriebau zeigt die von der EU geförderte Pegasus-Fallstudie: Im Mittelpunkt stand die Entwicklung eines kompletten Kotflügels, in dem polymere Leiterbahnen die integrierten LED-Rückleuchten direkt mit elektrischer Energie versorgen. Zwei weitere Spezialitäten:

?›Intrinsische‹ Farbgebung: Nano-Teilchen senken die Anzahl an Pigmenten sowie Fließlinien und ermöglichen intensive Farbgebung mit geringem Materialaufwand. »Bei unserem Demonstrator kommen wir mit einem 0,2-prozentigen Farbanteil aus«, sagt Dr.-Ing. Jan Diemert, stellvertretender Leiter für Polymerengineering am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal.

?Umweltfreundlichere Klebstoffe: Beim Herstellen der Lampengehäuse wurden ›Debonding-on-Command‹(DoC)-Klebstoffe eingesetzt, die in einem hochfrequenten Feld ihre Klebwirkung verlieren. Dank dieser Eigenschaft lassen sich DoC-verklebte Bauteile umweltfreundlich und leicht reparieren und recyceln.

Das ICT arbeitet außerdem an einer Methode, mit der sich mit einem modifizierten Werkzeug eine lokale Faserverstärkung in einem Spritzguss-Karosseriebauteil integrieren lässt. Diemert: »Wir platzieren eine gewickelte Faserstruktur zwischen den Lasteinleitungspunkten und umspritzen sie. Es entsteht so ein hochbelastbares, tragfähiges Karosseriebauteil.«

Es ist zwar nur eine Randerscheinung im Karosseriebau, doch trotzdem spielt sie in Hybrid- und E-Fahrzeugen eine wichtige Rolle: Es geht um die Unterbringung und Integration der schweren Hochleistungsbatteriezellen in die Fahrzeugkarosserie. Eine Antwort lautet Rapid-Manufacturing, der Aufbau komplexer Strukturen aus Metall, Kunststoff oder Verbünden schichtweise mit Hilfe des Lasers. Zu den Pionieren dieser Technik gehört EOS. »Wir lösten mit unserer Technik bei einem Hybrid-Rennwagen das Problem der Hitzeentwicklung der Hochleistungsbatteriezellen«, erklärt Stuart Jackson, Regional Manager bei der EOS Optical Systems Ltd. aus dem englischen Warwick.

Ein Westfield Sport Turbo 1600 erhielt zusätzlich für den Frontantrieb zwei 75-KW-E-Motoren, die den Rennwagen für drei Minuten in ein sehr schnelles Allrad-Hybridfahrzeug verwandeln. Statt relativ einfach geformter Batterieboxen entstanden – dank direkter Datenübernahme aus dem CAD-Entwurf – aus hochfestem Polyamid 22 maßgeschneiderte Module, die optimierte Luftkanäle zum effektiven Kühlen der 396 extrem leistungsfähigen Lithiumionen-Zellen besitzen. Mit konventioneller Spritzgießtechnik ließe sich dieses komplexe Design nicht verwirklichen. Ein weiterer Pluspunkt laut Jackson: »Das Verfahren eignet sich auch für die Serienproduktion.«

Nikolaus Fecht, Freier Fachjournalist aus Gelsenkirchen

»Unerschöpfliche Möglichkeiten«

Interview mit Dr. Peter Orth, Regional Director (Central Region), PlasticsEurope Deutschland e.V., Frankfurt am Main.

Herr Dr. Orth, welche Rolle spielen die Kunststoffe im Automobil-Karosseriebau?

Verbundwerkstoffe und vor allem Kohlenstofffasern in einer Kunststoffmatrix werden einen prominenten Platz in der Karosserie einnehmen. So würden unsere Autos leichter und sparsamer. Ein weiterer Vorteil: Anders als herkömmliche Materialien lassen sich Kunststoff-Verbünde miteinander verkleben statt aufwendig verschweißt zu werden. Ihre Korrosionsbeständigkeit spart Masse, vereinfacht die Prozesse und erleichtert die Wartung.

Welche weiteren Entwicklungen gibt es?

Hybrid-Materialien, also Kunststoffverbünde mit anderen Werkstoffen, werden deutlich wachsen. Ein weiteres Zukunftsthema sind sicherlich die Strukturschäume.

Was beflügelt den Kunststoff-Einsatz?

Die weitere Entwicklung der Elektromobilität erfordert neue Fahrzeugkonzepte, für die Kunststoff eine ungeheure Fülle an Möglichkeiten bietet und die sich letztlich nur mit Lösungen aus Kunststoff verwirklichen lassen.

Erschienen in Ausgabe: 01/2011