Kunststoffe im Automobil

Leicht, torsionssteif, sicher

Endlosfaser-verstärkte Verbundhalbzeuge sind die Basis für Strukturbauteile - auch solche mit hohen Sicherheitsanforderungen und mechanischer Leistungsfähigkeit sowie mit hohen Qualitätsstandards der Oberflächen. Gewichtseinsparungen und die wirtschaftliche Produktion sind die relevanten Ziele.

Frontendträger im Mercedes-Benz GLE besteht aus zwei verschweißten Verbund-Halbschalen. Die verstärkenden Glasfaser-Rovings verleihen dem Bauteil eine Karbon-ähnliche Anmutung. © Mercedes-Benz

So entstehen per Hybrid Molding großformatige Frontendträger mit verschiedenen integrierten Funktionen für Mercedes-Benz Fahrzeuge. Sie bestehen aus zwei verschweißten Verbund-Halbschalen, die ausgehend von rund 1,2 Meter langen und 0,35 Meter breiten Zuschnitten eines Polypropylen-basierten Halbzeugs der Marke Tepex Dynalite von Lanxess hergestellt werden. Die Fertigung beider Schalen geschieht im Hybrid Molding-Verfahren auf einem Spritzgießwerkzeug mit zwei Kavitäten. Die Zuschnitte werden dabei umgeformt und zugleich per Spritzguss mit zahlreichen Funktionen versehen. Dieser hochintegrierte One-Shot-Fertigungsprozess ist laut Unternehmen sehr wirtschaftlich und zeichne sich durch kurze Zykluszeiten aus. Der aus den Schalen hergestellte Frontendträger wiege rund 30 Prozent weniger als vergleichbare Ausführungen in Stahlblech und biete hohe Crash-Leistung und Torsionssteifigkeit.

Der Frontendträger ist eine Gemeinschaftsentwicklung vom Mercedes-Benz, Lanxess und weiteren industriellen Partnern. Er ist ein geschlossenes Hohlprofil, was zusammen mit der Steifigkeit und Festigkeit des Verbundwerkstoffs die Crash-Leistung des Sicherheitsbauteils begründet. Die hohe mechanische Belastbarkeit zeige sich auch darin, dass das Bauteil im Bereich des Haubenschlosses nicht mit Metallblechen verstärkt werden muss, wie es meistens bei rein spritzgegossenen Frontendträgern der Fall sei.

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Starke Funktionsintegration
Der Frontendträger ist mit zahlreichen Öffnungen und Kanälen zur Versorgung des Motors mit Frischluft ausgestattet. Diese entstehen durch den Spritzgießschritt des Hybrid Molding-Verfahrens in Kombination mit dem nachträglichen Verschweißen der zwei Halbschalen. Darüber hinaus werden auch direkt verstärkende Rippen, Halterungen, Führungen und Öffnungen für Anbauteile sowie Schraubdome integriert. Die Funktionsintegration minimiert die Zahl der Komponenten, die für die Fertigung des Frontendträgers notwendig sind. Dadurch verringert sich der logistische Aufwand, und die Folgemontage verkürzt und vereinfacht sich. Dies trage auch zu einer kostengünstigen Lösung bei.

Der Audi A8 wird auch mit zwei elektrisch einstellbaren Einzelrücksitzen angeboten, deren Sitzschalen im Hybrid Molding-Verfahren gefertigt werden. © Audi

Das Sichtteil hat dank der gemeinsamen Entwicklung des Hybrid-Molding-Prozesses eine hohe optische Qualität. Sontag: Die verstärkenden Glasfaser-Rovings bilden sich auf der Oberfläche gleichmäßig ab und ergeben einen sportlichen Look mit Karbon-ähnlicher Anmutung. Eine "Aufwertung" des Bauteils durch eine teure Lackierung erübrige sich ebenso wie eine Beschichtung zum Korrosionsschutz.

Die Substitution von Metall ist eine Möglichkeit Gewicht zu sparen. Zudem kann der Hybrid Molding-Prozess, die Integration von Funktionen und der Wegfall von Lackierschritten einen Beitrag dazu leisten, die Kosten für Fahrzeuge- - auch die von Elektrofahrzeugen - Elektrofahrzeuge zu senken, so dass diese gegenüber ihren Pendants mit Verbrennungsmotor wettbewerbsfähiger werden. Als potentielle Anwendungen der Technologie in Elektrofahrzeugen sieht das Unternehmen neben Trägern für Frontends, Türen und Stoßfänger besondere auch Halter für Elektro- und Elektronikmodule, Laderaummulden, Batteriegehäuse und -abdeckungen, strukturelle Komponenten im Greenhouse sowie strukturelle Verkleidungen im Unterbodenbereich zum Schutz der Batterie.

Leichter Rücksitz aus Composite
Ebenfalls auf Basis endlosfaserverstärkter Halbzeuge des Typs Tepex Dynalite, jedoch aus Polyamid 6, besteht eine interessante Konstruktion für den Audi A8. Er wird auch mit zwei elektrisch einstellbaren Einzelrücksitzen angeboten, deren Sitzschalen Faurecia Automotive Seating entwickelt hat und im Hybrid Molding-Verfahren gefertigt werden. Als Überspritzmaterial dient ein ebenfalls von Lanxess stammendes, kurzglasfaserverstärktes Polyamid 6 der Marke Durethan.

Für die Konstruktion mit endlosfaserverstärkten Halbzeugen, in diesem Fall Polyamid 6-basiert, sprach, dass sie laut Unternehmen gegenüber einer vergleichbaren Metallausführung rund 45 Prozent leichter ist und dabei wirtschaftlich gefertigt werden kann, was dem hohen Grad an Funktionsintegration zu verdanken ist. © Lanxess

Für die Konstruktion mit unserem Verbundwerkstoff sprach, dass sie gegenüber einer vergleichbaren Metallausführung rund 45 Prozent leichter ist und dabei wirtschaftlich gefertigt werden kann, was dem hohen Grad an Funktionsintegration zu verdanken ist. Außerdem erfüllt sie die hohen Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit im Crash-Fall", erklärt Henrik Plaggenborg, Leiter Tepex Automotive im LANXESS-Geschäftsbereich High Performance Materials (HPM). Systemlieferant des komplett montierten Rücksitzsystems ist der Geschäftsbereich Automotive Seating von Faurecia, Stadthagen.

Effizienter One Shot-Prozess
Bisher finden in vergleichbaren Sitzen vor allem Metallschalen Verwendung, die auf eine Unterkonstruktion geschraubt werden. Die Herstellung der Metallschalen ist vergleichsweise aufwändig, denn sie bestehen aus zahlreichen Einzelteilen, die in mehreren Schritten etwa durch Schweißen zusammengefügt werden müssen. Im Hybrid Molding-Verfahren entsteht laut Lanxess dagegen in einem Prozessschritt ein montagefertiges Bauteil. Das zugeschnittene und aufgewärmte Verbundhalbzeug wird dazu direkt im Spritzgießwerkzeug umgeformt und per Spritzguss mit zahlreichen Funktionen versehen, was die Folgemontage vereinfache und erhebliche Einsparungen bei den Fertigungskosten erschließe. So sind in das Bauteil neben Verstärkungsrippen die Kedernut zum Fixieren des Sitzbezuges sowie zahlreiche Aufnahmen und Führungen etwa für die Sitzbelüftung und Kabelhalter integriert. Auch die Klipse zur Befestigung der Sitzschale sind direkt angespritzt. Die Schale lässt sich einfach und schnell ohne Schrauben mit den Klipsen montieren und im Servicefall wieder demontieren. Die Verklipsung sei sehr stabil und erfülle alle relevanten Sicherheitsanforderungen.

Anwendungen wie Frontendträger und Sitzschale sowie das komplette Rücksitzsystems wurden und werden im Rahmen des Kundenservices Hiant des Lanxess- High Performance Materials (HPM) unterstützt. So ermittelte HPM zum Beispiel Materialdaten des Verbund- und Überspritzwerkstoffs, die Faurecia für Struktursimulationen benötigte, unter anderem, um die mechanische Belastbarkeit des Sicherheitsbauteils zu berechnen. Außerdem wurden in einer Drapiersimulation mehrere Strategien für eine präzise und reproduzierbare Umformung des Verbundhalbzeugs analysiert. Die Ergebnisse flossen in Empfehlungen für die Werkzeug- und Prozessauslegung ein. So wurden den Partnern spezielle Klemmelemente zur Fixierung des plastifizierten Verbundeinlegers im Spritzgießwerkzeug empfohlen.

Tepex wird von der Lanxess-Tochtergesellschaft Bond-Laminates in Brilon entwickelt und produziert. Sie werden bereits in Großserienanwendungen des strukturellen Leichtbaus von Automobilen eingesetzt, beispielsweise in Frontends, Bremspedalen, Komponenten von Unterbodenverkleidungen, verstärkende Struktureinleger für Karosserieanbauteile sowie Träger für Tür- und Elektronikmodule. Potentiale sieht das Unternehmen auch in Rücken- und Armlehnen sowie Sitzschalen für neue, komplexe Sitzkonzepte des autonomen Fahrens.Das können zum Beispiel frei drehbare, schwenkbare oder entnehmbare Sitze sein, die nicht nur wenig wiegen, sondern auch alle Crash-Anforderungen erfüllen und mit zahlreichen integrierten Funktionen wie Anschnall-, Infotainment- und Komfortsystemen ausgestattet sind. Darüber hinaus könnte das Leichtbaumaterial auch in Komfortsitzen für Shuttle-, VIP- und Familienbusse zum Einsatz kommen.

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