50 Jahre Kunststoffe verändern die Welt - Teil 1

Vom Ersatz über die Alternative zum High-tech Werkstoff

Kunststoffe als billiger Ersatz für richtige Werkstoffe. Diese Einstellung von Verbrauchern war typisch für jene Zeit und nur schwer zu verändern. Was bis dato bereits die Frauen verstanden hatten, nämlich das Kunststoffe ganz neue Produkte ermöglichen - die Nylons hatten bereits ab Ende der 30er Jahre in Millionenauflage ihren Siegeszug durch die Industrieländer der Welt angetreten - kam spätestens jetzt bei den Männern an: Der "Nylon"-Dübel löste den Metalldübel ab, eine Metallhülse mit eingepresster Gewebeeinlage, der nur begrenzten Halt bot. Der Kunststoff-Dübel war kein billiger Ersatz, sondern ein neues Produkt mit besseren Eigenschaften als alle Lösungen zuvor und zudem sehr kostengünstig zu produzieren. Er war die bessere technische und gleichzeitig wirtschaftlichere Lösung. Und wollte heute ernsthaft behaupten, dass es zur Kabelisolierung aus Kunststoff, den Fahrzeugreifen aus Elastomeren oder Kunststoffborsten auf der Zahnbürste aktuell eine Alternative gibt?

Titelblatt der ersten "Prodoc Kunststofftechnik", später umbenannt in Kunstoff Magazin.

Den Kunststoff-Dübel kann man als Prototypen dafür sehen, wie Kunststoffe intelligent genutzt wurden und werden: Die mechanischen Eigenschaften und die Verarbeitungsmöglichkeiten werden genutzt, um bessere und/oder kostengünstigere Produkte zu schaffen. Ganz im Gegensatz dazu arbeiteten viele Konstrukteure zunächst daran, bestehende Bauteile in Kunststoffen zu realisieren. Das möglichst genaue Kopieren von Bauteilen aus anderen Werkstoffen war und ist nur begrenzt möglich und ist selten sinnvoll. Eine Blechkonstruktion, ein Aluminium-Gussteil, das über Jahrzehnte in iterativen Prozessen optimiert wurde lässt sich nicht 1:1 in Kunststoffen abbilden. Zunehmend wurden neue Produkte unter gezielter Berücksichtigung der Eigenschaften moderner Kunststoffe entwickelt, dazu mussten die technischen Möglichkeiten der Kunststoffe und deren Verarbeitungsmöglichkeiten im Bewusstsein der Konstrukteure verankert werden. Wie lege ich ein Bauteil so an, dass die materialspezifischen Kennwerte optimal genutzt werden und welche geometrischen Restriktionen gilt es zu beachten, um es auch sinnvoll produzieren zu können? Welche Produkteigenschaften kann ich gleich integrieren und wie verbinde ist diese Bauteile? Um dieses Wissen zu vermitteln und es in der Praxis auch anzuwenden, brauchte es eine Generation von Technikern und Ingenieuren, auch, weil sich Werkstoffe und Verarbeitungstechnologie teils sprunghaft weiter entwickelten.

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Vor allem Designer schwelgten im Wirtschaftswunderland der 60er und in den 70er Jahren in neuen Farben und Formen. Inzwischen haben hochwertige – und hochpreisige – Designerartikel aus Kunststoffen, beispielsweise in den Vorzeigeküchen der Republik, teilweise Kultcharakter. Lego-Bausteine sind inzwischen der Klassiker im Kinderzimmer schlechthin, Barbie ist die wohl bekannteste „Frau“ auf dem Globus und der extrem teure Füllfederhalter, jederzeit geeignet den Status des Besitzers zu unterstreichen, besteht in aller Regel zum überwiegenden Teil aus Kunststoffen. Auch wenn unter dem Namen Lego zunächst rund 15 Jahre lang Spielzeug aus Holz vertrieben wurde, stehen alle diese Produkte nicht für den preiswerten Ersatz sondern für intelligente und erfolgreiche Anwendungen von Kunststoffen. Kunststoffe sind im Bewusstsein von Verbrauchern als den Metallen gleichwertige Produktgruppe weitestgehend akzeptiert.

Das war nicht immer so. Spätestens während des letzten Weltkriegs diente die intensive Suche nach Alternativen zu herkömmlichen Materialien der Einsparung knapper Rohstoffe - was nicht nur den Malzkaffee-Trinkern im wahren Wortsinne sauer aufstieß. Im Gegensatz zum heutigen Verständnis, in dem "Kunststoffe" für polymere Werkstoffe im Sinne des englischen plastics steht, wurden häufig auch andere "künstlich erzeugte" Substitute bis hin zu Lebensmittelersatzstoffen mit dem Zusatz "Kunst-" versehen. In den Nachkriegsjahren waren ähnliche Bestrebungen zu beobachten, Kunststoffe aus reiner Not einzusetzen: Prominentestes Beispiel bis heute dürfte der Trabbi sein, dessen Karosse überwiegend aus Phenolharzen mit verschiedenen Verstärkungs- und Füllstoffen, meist Baumwollanteilen, bestand. Die zweifelhafte Qualität mancher Kunststoffe und der mitunter unsachgemäße Einsatz an untauglicher Stelle hatten den Ruf der Kunststoffe bei Verbrauchern nachhaltig lädiert.

Kunststoffe im und am Automobil

Gerade der Automobilbau, dessen kometenhafter Aufstieg in den 50er Jahren begann, wurde zum einem der Treiber der Innovationen im Kunststoff-Sektor. Zunächst ging es hier um zwei Aspekte: neue Formen ermöglichen und im Zuge der Massenproduktion die Kosten senken.

Bis auf Reifen, Dichtungen und wenige Teile der Innenausstattung aus PVC und „Resopal“ verzichteten die typischen Pkw der 50

und Anfang der 60er Jahre auf den Einsatz von Kunststoffen. Auch wenn Fahrzeuge wie der Messerschmidt Kabinenroller bereits mit einer Verglasung aus „Plexiglas“ aufwarteten, Armaturenbretter und Bediengriffe aus Harzen produziert wurden, brauchte der ingenieurmäßige Einsatz von Kunststoffen auf breiter Front bis in die 70er Jahre. Vor allem Strukturbauteile, Karosserieelemente und Komponenten im Umfeld des Antriebs wurden verstärkt erst im Laufe der letzten 25 Jahre entwickelt. In einigen Fällen wurden Motorhauben und Heckklappen aus Kunststoffen produziert, als größere Bauteile kamen aber lediglich Stoßfänger aus Kunststoff zum Einsatz.

Vor allem in höherpreisen Fahrzeugen lieferten und liefern Leistung und Innenraum-Design maßgebliche Argumente im Verkauf. In Zeiten, wo Fahrzeuge immer ähnlicher werden, mit teils identischen Antriebsgruppen ausgeliefert werden, spielt die Differenzierung über das Design die herausragende Rolle. Nacktes Blech findet sich weder im Kleinwagen noch im Lkw-Führerhaus. Enorme Anstrengungen wurden unternommen, um optisch und haptisch angenehme Oberflächen zu schaffen. Schäume, Folien, Hochwertige Lackierungen, Beschichtungen, textile Oberflächen – die Hersteller ziehen alle Register.


FVK – vom Harz zum Organoblech

Hier wird auch maßgeblich das Thema Leichtbau vorangetrieben, dass auf andere Branchen ausstrahlt. Auch wenn die Vorreiter der modernen Faserverbundtechnik aus einem anderen Bereich kamen, dem Segelflugzeugbau, ist es die Automobilindustrie, die einmal mehr eine Verarbeitungstechnologie in die größere Serie bringt. Bereits in den 50er Jahren experimentierten Segelflugzeugbauer, mit FVK-Werkstoffe, um die traditionellen Holzbauweisen abzulösen. Weniger die Gewichtseinsparung stand damals im Vordergrund, als im April 1964 das erste überwiegend aus Glasfaser verstärkten Kunststoffen gebaute Flugzeug abhob, sondern der Wunsch nach besserer Aerodynamik durch optimale Oberflächenqualitäten und der Möglichkeit, schlankere Geometrien realisieren zu können. Grundlegende Entwicklungsarbeiten haben hier akademische Fliegergruppen unter anderem an den Hochschulen Darmstadt und Stuttgart geleistet. Bis heute hat der deutsche Segelflugzeugbau eine weltmarktbeherrschende Stellung. Profitiert hat auch die Verkehrsfliegerei, die ebenfalls seit den 60er Jahren mit Faserverbunden experimentierte, um das Gewicht zu senken. Trotz aller bekannt gewordenen Probleme bei Boing und Airbus – moderne Verkehrsflugzeuge sind ohne Einsatz von Kohlestoff- und anderen Fasern nicht denkbar.

Der Automobilbau hat die Aufgabe, die eher handwerklichen Technologien aus dem Flugzeugbau auf die Großserie zu übertragen. Massive Gewichtseinsparungen sollen durch Ersatz von Blechen vor allem in den tragenden Strukturen erreicht werden. Nur so scheint es möglich, den Treibstoffverbrauch - beziehungsweise den CO2-Ausstoß nachhaltig zu senken. Besonders vor dem Hintergrund des Entwicklungsziels, Fahrzeuge mit Elektroantrieben marktfähig zu machen, wird jede Einsparmöglichkeit genutzt. Mit BMW hat sich nun ein Massenhersteller in den Markt gewagt, der größere Baugruppen aus Cfk-Werkstoffen produziert. Statt mühsam Harz und Fasern in Formen mit einem mehr oder weniger hohen Anteil manueller Tätigkeiten zusammenzubringen, ist die Produktion hier mit einem hohen Automatisierungsgrad versehen.

Die Metallsubstitution reicht bis in die bislang von Metallen dominierten Sicherheitseinrichtungen: Eine der neuesten Entwicklungen, das Organoblech, ist eben kein Blech, sondern besteht aus einem Thermoplast als Matrix und einem hohen Anteil an Verstärkungsfasern. Diese „Bleche“ lassen sich unter Wärmeeinwirkung verformen und als Einlegeteil im Spritzguss weiterverarbeiten. Seit kurzer Zeit gelingt es, das verformen der Organobleche mit dem Umspritzen in einem Prozess zu integrieren und so extrem steife und dabei leichte, hochintegrierte Bauteile zu produzieren. Sie kommen beispielsweise in Frontends von Fahrzeugen oder als Seitenaufprallschutz in Fahrzeugtüren zum Einsatz.

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