Potenzial von Kunststoffen

Kunststoffe haben vermehrt das Potenzial auch für Leichtbau-Anwendungen im Automobil. Insbesondere Faserverbundwerkstoffsysteme können eine weitere Dimension eröffnen.

Im Zuge der Automatisierung und Weiterentwicklung der Blechverarbeitung sowie des Leichtbaus im Automobilbau wurden selbsttragende Karosserien aus Metall entwickelt. Die Tragstruktur heutiger Fahrzeuge besteht aus Hohlprofilen, welche in Schalenbauweise gefügt werden. Die Hohlprofile sind an Knotenpunkten miteinander verbunden. Die Anzahl und Ausführung der Knotenpunkte ist maßgeblich für die Steifigkeit der Karosserie. Neben dem Einbau der Schotte sowie Einbringung von Sicken an ebenen Flächen stellt der Einsatz von Strukturschaumteilen deshalb eine gewichtsoptimierte Alternative zur lokalen Aussteifung von Karosserien dar. Mit Hilfe dieser Technik können gezielt fahrzeugspezifische Verstärkungen an Karosseriestrukturen dargestellt werden.
Das rechte Bild auf Seite 46 zeigt das Funktionsprinzip dieser Technik. Die Strukturelemente werden im Karosseriebauprozess in die Hohlprofile eingebracht. Die Aktivierung, Expansion und Aushärtung der Epoxidschäume erfolgt unter Temperatureinwirkung im Lackierprozess. Die erzielbaren Gewichtsreduzierungen hängen vom Gesamtfahrzeugkonzept ab. So werden zum Beispiel beim BMW 5er Touring  10 kg Gewicht gegenüber Stahl eingespart.
Eine hinsichtlich Leichtbau interessante, aber erst im Vorentwicklungsstadium bzw. nur für Kleinserien realisierte Anwendung, ist die CFK-Technologie für Karosseriestrukturen. Noch zu bearbeitende Entwicklungsschwerpunkte sind hier die Bereiche Schadenserkennung, Crashverhalten, Reparaturkonzepte und stoffliche Wiederverwertung.

Exterieur. Das größte Leichtbaupotenzial für Kunststoffe im Exterieur liegt im Ersatz großflächiger Anbauteile wie z. B. Seitenwände oder Heckklappen. Ein Beispiel dafür ist die Thermoplast-Seitenwand des BMW-3er-Coupé/Cabrio aus einem neuen und weiter entwickelten thermoplastischen, hochwärmebeständigen Polymerblend (Polyamid 66 und Acrylnitril/Polybutadien/Styrol mit Mineralverstärkung). Dieser Werkstoff weist eine geringe Wärmedehnung und Feuchteaufnahme auf. Das Bauteil wird bereits im Rohbau an der metallischen Fahrzeugstruktur befestigt und im Online-Lackierprozess völlig identisch zu metallischen Anbauteilen behandelt. Bei der Gestaltung derartiger Bauteile tragen spezielle Befestigungssysteme der Längenausdehnung des thermoplastischen Kunststoffes über den Temperatureinsatzbereich von -30 °C bis +90 °C Rechnung. Die Gewichtseinsparung gegenüber Stahl beträgt zirka 3 kg.
Neben der Gewichtseinsparung sind u.a. die geringeren Fertigungs- und Prozesskosten sowie die Unempfindlichkeit des Werkstoffes gegenüber Bagatellschäden wichtige Kriterien. Für horizontale Bauteile sind Werkstoffe mit hoher Formstabilität und Steifigkeit über einen weiten Temperaturbereich notwendig. SMC (Sheet Moulding Compound) hat im Vergleich zu Thermoplasten auf Grund der hohen, im geforderten Temperaturbereich annähernd gleichbleibenden, mechanischen Kennwerte deutliche Vorteile. Zum Einsatz kommen ungesättigte Polyesterharze mit einem Glasfaseranteil von zirka 30 Gewichtsprozent (UP-GF30). Bei der BMW 6er Reihe wird aktuell die Heckklappe aus SMC gefertigt und im Online-Verfahren in den Fertigungsprozess integriert. Bei dieser Bauteilgestaltung ergeben sich folgende Vorteile:

• Hohe thermische Formstabilität,
• Bestmögliche Crasheigenschaften,
• Aerodynamische und designtechnische Gestaltungsfreiheit,
• Integration von Antennentechnik in einen doppelwandigen Schalenverbund.

In Verbindung mit der Möglichkeit der Bauteilintegration (z. B. angeformter Spoiler) anstatt der Befestigung eines zusätzlichen Bauteils ergibt sich ein geringer Gewichtsvorteil zu Aluminium. Als nächster Schritt wird die  Weiterentwicklung des Werkstoffsystems SMC zu Class-A-fähigen LD-Systemen (Low Density) mit niedriger Dichte und damit einer weitergehenden Bauteil-Gewichtsreduzierung verfolgt.
Bei künftigen Anwendungen im Exterieur werden zunehmend CFK-Werkstoffe berücksichtigt. So weist etwa das im Hochdruck-Injektionsverfahren RTM (Resin Transfer Moulding) aus Epoxidharz und Kohlenstofffasern hergestellte CFK-Dach des aktuellen BMW M3 neben den rein funktionellen Bauteilanforderungen auch, bedingt durch die ästhetische Gewebestruktur, eine besondere Carbon-Sichtoptik auf. Damit  lassen sich im Vergleich zu einer Ausführung aus Stahl etwa 5 kg Gewicht einsparen. Besonders vorteilhaft für die Fahrdynamik ist darüber hinaus die deutliche Absenkung des Fahrzeugschwerpunktes.

Interieur. Bei den Verkleidungsteilen im Interieur wie Instrumententafel-, Tür- oder Sitzlehnenverkleidungen gibt es eine Vielzahl von Oberflächenwerkstoffen und unterschiedlichen Trägersystemen. Die ursprünglich auf funktionelle Anforderungen ausgelegten Dekoroberflächen werden immer mehr durch zusätzliche Anforderungen an die Wertigkeit (Optik, Druck- und Berührhaptik) und Oberflächenqualität geprägt.
Zum Einsatz kommen Kompakt- und Schaumfolien auf Basis PUR, PVC und TPO als Dekorwerkstoffe und PP, ABS/PC und SMA als Trägerwerkstoffe. Bei den Kompaktfolien wird zur Erzielung einer angenehmen Haptik zwischen Folie und Träger eine PUR-Halbhart-Schaumschicht eingebracht. Neuere Entwicklungen wie PUR-Kunstleder mit Abstandsgewirke (PUR-Softskin) oder kompakte Tiefziehfolien auf Basis thermoplastischer Polyolefine (TPO) führen zu gewichtsoptimierten Dekoroberflächen.

Bei der Instrumententafel des neuen BMW 7er wird zum Beispiel durch den Einsatz der PUR-Softskin-Technologie mit Abstandsgewirke die PUR-Halbhart-Schaumschicht bei gleicher Funktionalität ersetzt. Im Gesamtkonzept werden im Vergleich zum Vorgängermodell 2,5 kg Gewicht eingespart. Ein weiteres Beispiel stellt die Instrumententafel des neuen BMW 5er dar. Das hier eingesetzte Konzept reduziert u. a. durch die Verwendung einer TPO-Kompaktfolie gegenüber einer PUR-Sprühhaut das Gewicht um 3,5 kg, wobei der Anteil der TPO-Kompaktfolie etwa 1,5 kg beträgt.
Auf Grund des Anstiegs der Kunststoffoberflächen im Interieur kann, abhängig von der Anzahl der Bauteile, durch Auswahl geeigneter Werkstoff- und Verfahrensvarianten eine deutliche Gewichtsreduktion pro Fahrzeug erzielt werden.

Aggregate. Bisher wurden Getriebequerträger bei BMW-Fahrzeugen aus Aluminium-Druckguss hergestellt. Zur Gewichtsreduktion wurde untersucht, ob der Getriebequerträger  aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden kann. Das Anforderungsprofil umfasst neben der Erfüllung der funktionalen Eigenschaften (Betriebsfestigkeit, Wärmemanagement, Akustik, Crashverhalten) auch die Wirtschaftlichkeit. In einer Vorauswahl wurden die Werkstoffe SMC, PUR-GF, GMT und PA+GF hinsichtlich Erfüllung der Lastenheftvorgaben und der Wirtschaftlichkeit bewertet.

Für die weitere Entwicklung wurde das Spritzgussverfahren mit dem Werkstoff PA66+50%GF ausgewählt. Die Bauteilauslegung wurde in Zusammenarbeit mit dem Rohstoffhersteller mittels numerischer Simulation optimiert. Es wurde ein Berechnungsverfahren angewandt, bei dem die lokalen, herstellungsbedingten Materialeigenschaften berücksichtigt werden (integrative Simulation). In der Absicherungsmatrix für Prüfstandversuche wurde das Temperaturkollektiv über die Fahrzeuglebensdauer berücksichtigt. Bauteile in diversen Alterungs- und Konditionierungszuständen wurden durch diese Matrix hinsichtlich thermischer Betriebssicherheit und Bruchlast abgesichert. Außerdem wurde der Abgleich zwischen Berechnung und Bauteilversuch durchgeführt.
Neben den Versuchen an Komponenten-Prüfständen wurden Bauteilprüfungen am Gesamtfahrzeug wie z. B. Crash, dynamische Korrosionsprüfung sowie eine Dauererprobung erfolgreich abgeschlossen. Die Akustik wurde durch geometrische Änderungen verbessert. Der Kunststoff-Getriebequerträger ist im neuen BMW 5er GT im Serieneinsatz. In weiteren Fahrzeugen ist die Verwendung geplant. Bauraum und Befestigungskonzept sind identisch mit dem bisher eingesetzten Aluminium-Druckguss-Bauteil.  Die erzielte Gewichtsreduzierung beträgt zirka 1 kg.

Zusammenfassung und Ausblick. Für Anwendungen im Automobil reichen häufig die mechanischen Eigenschaften herkömmlicher Kunststoffe alleine nicht aus. Weiterzuentwickeln sind deshalb Faserverbundwerkstoffsysteme (z. B. CFK-Werkstoffe), die künftig eine weitere Dimension im Automobilleichtbau eröffnen können. Schwerpunkte bei derartigen Entwicklungen sind günstige Fasertechnologien, schnell ausreagierende Harz-Matrixsysteme für hohe Stückzahlen, sowie Schadenserkennung und Reparaturtechnologien für einen praxisgerechten, kundenspezifischen Fahrzeugeinsatz.
Zunehmend wichtig bei der Konzeption von leichten Kunststoffbauteilen ist die Beachtung der Nachhaltigkeit, also von ökologischen, ökonomischen und sozialen Aspekten. Der rein technischen Entwicklung und Umsetzung von gewichtsreduzierten Bauteilen muss eine gesamthafte Betrachtung der Wertschöpfungskette gegenüberstehen. Dies ist nur durch eine enge Zusammenarbeit aller am Wertschöpfungsprozess beteiligten Unternehmen möglich, vom Rohstofferzeuger bis zum Bauteilhersteller.