Megatrend Elektrifizierung

Meinolf Droege,

E-Technologien im Fahrzeugbau bieten neue Chancen

Die Elektrifizierung des Fahrzeugs ist der Megatrend im Automobilbau. Und sie kann ein Megatrend der Kunststoffindustrie werden. Es gilt, Markttrends und mögliche Anwendungen frühzeitig zu erkennen und mit Partnern Produkte für neue Anwendungen zu entwickeln, die den veränderten Anforderungen gerecht werden.

Anschluss- und Steckerverbinder in der Leistungselektronik aus orange eingefärbten Materialien. © DuPont

Was sind die Megatrends des nächs­ten Jahrzehnts? Welche Veränderungen ergeben sich hieraus in den Schlüsselsegmenten? Wo ergeben sich für Werkstoffentwickler wie DuPont neue Möglichkeiten zur Innovation? Die Antworten auf diese Fragen stehen im Zentrum der operativen Ausrichtung des Distributeurs Biesterfeld, der auf Grundlage seiner Beratungs- und Entwicklungskompetenz eng mit seinen Partnern zusammenarbeitet. Dabei nutzt die Biesterfeld Gruppe nach eigenen Angaben Synergien innerhalb der Geschäftsbereiche Plastic, Spezialchemie, Performance Rubber und International.

Für die kommenden Jahre erwarten Biesterfeld und DuPont besonders bei den technischen Thermoplasten zahlreiche Innovationen und damit neue Anforderungen an die Kunststoffindustrie im Segment Automotive. Das Segment wird aufgrund vieler innovativer Lösungen im Bereich EuE, die im Fahrzeug Einzug halten, sowie alternativer Antriebsformen deutlich volatiler. So gehen Experten der Unternehmen beispielsweise davon aus, dass im Jahr 2040 nur noch jedes vierte neu gebaute Auto von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Vor allem Fahrzeuge mit Hybridantrieb werden demnach kurz- bis mittelfristig stärker nachgefragt. Neben den hybriden Lösungen, die sich im Markt zunächst schneller entwickeln, stehen langfristig zusätzlich rein batteriebetriebene Elektrofahrzeuge und Fahrzeuge mit Wasserstoffverbrennungsmotor, die gegenwärtig noch weniger relevant sind, im Fokus. Der Verbrennungsmotor, mit oder ohne hybride Lösung, werde trotz der erwarteten Veränderungen auch im kommenden Jahrzehnt eine der wichtigsten Antriebsarten sein und könnte seinerseits im Zentrum neuer Innovationen stehen. So wird derzeit auch stark an der Weiterentwicklung synthetischer Kraftstoffe geforscht. Dabei gibt es erste Versuche, Kraftstoffe aus Algen, Restmüll oder Speisefetten für den konventionellen Verbrennungsmotor nutzbar zu machen. Dem erdölbasierten Treibstoff beigemischt könnte er so zu einer CO2-Reduktion beitragen.

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Neben den etablierten Märkten in Europa und Amerika verzeichnet derzeit Asien ein starkes Wachstum der Automobilproduktion. Von den gegenwärtig jährlich etwa 90 Millionen produzierten Automobilen (IHS Markit) entfällt je ein Drittel auf Europa, Amerika und Asien. Schon im Jahr 2030 werden laut Schätzungen der beiden Unternehmen 45 der weltweit 100 Millionen produzierten Fahrzeuge aus Asien stammen. Der asiatische Kontinent treibe die Elektrifizierung des Automobils, teils gefördert durch staatliche Subventionen, maßgeblich voran.

Die Prognosen hinsichtlich der genutzten Antriebsformen und des globalen Marktwachstums gilt es in den kommenden Jahren stetig zu überprüfen. Sicher ist jedoch: alle sich derzeit entwickelnden alternativen Antriebssysteme gehen einher mit vielfältigen Anforderungen an die in den Automobilen verbauten Teile. In Fahrzeugen mit voll- oder teilelektrischen Antrieben werden kompakte Elektromotoren mit hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad genutzt. Die Hochvolt-Batterien zeichnen sich durch eine noch höhere Leistung mit großen Energiedichten über 10 kWh aus. Der Elektroantrieb stellt so hohe Anforderungen an Bauteile mit Stromstärken bis 300 Ampere, Temperaturen über 200 °C und Spannungen im Bereich 200 bis 1000 Volt.

Hinzu kommt das Bestreben, Bauteile mit möglichst geringem Gewicht einzusetzen. Gleichzeitig strebt die Industrie danach, den Stromverbrauch nicht antriebsrelevanter Funktionen wie Beleuchtung, Heizung, Klima und Infotainment möglichst gering zu halten. Die eingesetzten technischen Thermoplaste werden mit einer Vielzahl neuer Anforderungen konfrontiert und müssen oft Eigenschaften aufweisen, die den Materialien nicht inhärent sind und sich dazu teilweise sogar widersprechen. Zu diesen Anforderungen zählen unter anderen gute elektrische Eigenschaften wie Durchschlagfestigkeit und Kriechstromfestigkeit, halogenfreier Flammschutz (mit UL-Zertifizierung) und organische bzw. halogenidfreie Hitzestabilisatoren. Thermische und elektrische Leitfähigkeit bzw. elektromagnetische Abschirmung spielen ebenfalls eine wichtige Rolle.

Anwendungsfeld Batterie

In dem überwiegenden Anteil der Fahrzeuge basiert die Autobatterie momentan noch auf einer Blei-Säure-Technologie. Dieses klassische Akkumulator-System ermöglicht den Start für den Anlasser eines Verbrennungsmotors. Für die Trendwende zur Elektromobilität herrschen andere Voraussetzungen. Größere, elektrisch betriebene Fahrzeuge machen es notwendig, das Batterie-System im Fahrzeug ganzheitlich zu überarbeiten. Dabei werden auch immer mehr die Niedrigvolt-Batterien, die das Bordnetz unterstützen, angepasst. Vermehrt werden Lithium-Ionen-Akkus mit 12 bis 48 Volt eingesetzt, die eine höhere Energiedichte und Lebensdauer als Blei-Akkus haben. Lithium-Akkus benötigen jedoch komplexe elektronische Schutzschaltungen in geeigneten Gehäusen.

Zu den Anforderungen dieser Gehäuse zählen unter anderem Beständigkeit der Eigenschaften unter Einfluss höherer Temperaturen, hoher Feuchtigkeit und rauer chemischer Umgebung. Biesterfeld und DuPont bieten ein Portfolio, das dem gerecht werden soll. Dazu gehören Hochleistungspolyamide der Zytel-Familie. Darunter befinden sich das mit 30 Prozent glasfaserverstärkte und flammgeschütztes Polyphthalamid (PPA). Das ebenfalls mit 30 Prozent glasfaserverstärkte, flammgeschützte, teilaromatische Polyamid Zytel HTNLTFR52G30NH BL662 weist eine spezielle Eigenschaft auf: Es lässt sich – auch in der Farbe Schwarz – laserschweißen. Bei Niedrigvolt-Batterien ist das die bevorzugte Verbindungstechnologie. Beide Typen zeichnen sich durch bessere Chemikalienbeständigkeit im Vergleich zum Polyamid 66 aus und enthalten ein Flammschutzmittel auf halogenfreier Basis. Sie erfüllen zudem bereits bei 0,4 Millimeter Wanddicke die Brandschutznorm V0 nach UL94 und bieten außerdem höhere Temperaturbeständigkeit und Dimensionsstabilität dank geringerer Wasseraufnahme.

Kunststoffe im Wärme-Management

Konventionell betriebene Fahrzeuge können die Abwärme des Motors für eine gut funktionierende Heizung nutzen. Bei reinen Elektrofahrzeugen fällt diese Abwärme nicht an. Das wirkt sich auch maßgeblich auf die Batterie aus: Akkumulatoren verlieren bei niedrigen Temperaturen Kapazität, mit eingeschalteter Heizung sinkt die Reichweite zusätzlich.

Das Wärme Management gewinnt bei Fahrzeugen mit alternativen Antrieben deshalb zusätzlich an Bedeutung. Dabei geht es um die benötigte Wärmezufuhr, aber auch um eine entsprechende Kühlung, damit die Batterie stets im optimalen Leistungsbereich agiert. Das Thermo-Management sorgt beispielsweise dafür, dass mithilfe einer Kombination aus Wärme- und Kühlmittelpumpe Temperaturen über das Kühlwasser reguliert werden. Die dafür benötigten Kunststoffrohre und -leitungen sind entsprechenden Temperaturen und Chemikalien ausgesetzt. Kernanforderungen an diese Materialien sind unter anderem Beständigkeit gegenüber Wasser-Glykol-Mischungen und Salz. Zudem müssen die Rohrleitungen schweißbar und flexibel gestaltbar sein, um bei der Konstruktion der Fahrzeuge flexibel zu bleiben.

Eine Lösung kann der Einsatz langkettiger Polyamide sein. Sie lassen sich beispielweise extrudieren oder blasformen. So weist das PA6.12-Produkt Zytel LC6200 gute Hydrolysebeständigkeit gegenüber Kühlmitteln bei Temperaturen bis 120 °C auf. Zusätzlich bietet es Beständigkeit gegen Salz und einige andere Chemikalien, was es als Mono-Layer für Kühlmittelleitungen geeignet macht. Weitere Vorteile gegenüber Metallen und Kautschuken, die in diesen Anwendungen häufig eingesetzt werden, sind, so der Anbieter, die Gewichtsreduzierung bis 60 Prozent und die Rezyklierbarkeit.

Antrieb mit Leistungselektronik

Weitere Anwendungen bieten die zwischen Elektromotor und Hochvolt-Batterie verbaute Leistungselektronik. Hier sind Eigen­schaften wie Durchschlagfestigkeit und Kriechstromfestigkeit relevant. Darüber hinaus sind teilweise die thermische und die elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise die elektromagnetische Abschirmung zu berücksichtigen. Zudem müssen die Werkstoffe Anforderungen wie dem Flammschutz, vorzugsweise auf halogenfreier Basis, entsprechen.

On-Board Chargers und DC/DC Converters als Ladeschaltzentralen für die Stromumwandlung benötigen Steckverbinder mit entsprechenden elektrischen Eigenschaften. Das gemeinsame Portfolio von Biesterfeld und DuPont biete mit dem Polybutylenterephthalat (PBT) Materialien an, die inhärent gute elektrische Eigenschaften aufweisen. Je nach Anwendung finden die unter der Marke Crastin vertriebenen Werkstoffe ihren Einsatz. Speziell für den Hauptanschluss der Charger und Converter wird eine mit 25 Prozent Glasfaser verstärkte, flammgeschützte sowie verzugsarme PBT-Variante mit halogenfreier Brandschutzausrüstung V0 nach UL94 bei 0,75 Millimeter eingesetzt. Im Vergleich zu Polyamid 66 biete diese Type geringere Feuchtigkeitsaufnahme und 600 Volt Kriechstromfestigkeit, der maximal erreichbare Wert gemäß Norm IEC 60112. Um mit einer Signalfarbe auf das hohe Spannungsniveau aufmerksam zu machen, wird das Produkt in Orange angeboten. Noch verzugsärmer soll das bald kommerziell verfügbare Crastin mit 15 Prozent Glasfaseranteil sein. Dieses Produkt weise eine höhere Dehnung auf und finde daher Einsatz bei Konnektoren mit Schnapphakenfunktion.

Sensoren als Schlüsselbaugruppen

Sensoren werden unter anderem zur Erfassung des Umfelds benötigt. Die Messung von Abstand und Relativgeschwindigkeit, Ultraschallsensoren für Abstandsmessungen im Nahbereich, Infrarot-Kameras für Nachtsichtsysteme, Mono- und Stereokameras zur Detektion von Gefahrenquellen sind nur einige Beispiele. Die Bauteile müssen gute chemische und thermische Beständigkeiten aufweisen sowie hydrolysestabil und für den Verarbeitungsprozess aufgrund der zum Teil filigranen Bauteilgeometrie entsprechend leichtfließend sein. Zudem sind gute mechanische Werte, elektrische Eigenschaften und teilweise eine Flammschutzausrüstung gefordert.

Für Sensoren und Konnektoren, die Feuchtigkeit ausgesetzt sein können, kommt die Crastin HR-Produktfamilie zum Einsatz, die sich durch ihre besonders hohe Hydrolysebeständigkeit auszeichnet. Für Hochvolt-Anwendungen bietet das Portfolio sowohl Crastin als auch Zytel HTN an. Bei einigen Sensoren sind auch Materialien aus langkettigen Polyamiden der Zytel LCPA-Produkte im Einsatz.

Eine weitere Anforderung im Bereich Sensoren ist das Vermeiden elektrochemischer Korrosion. Durch Kontakt mit Kupferleitern und Feuchtigkeit soll es beim Kunststoffbauteil zu keiner Funktionsbeeinträchtigung kommen, die ggf. zum Ausfall führt. Die dafür ein­gesetzten Produkte sind im von Biesterfeld vertriebenen DuPont Portfolio mit dem Zusatz EF gekennzeichnet, das Kürzel für Electrical Friendly. Sie sind mit organischen Hitzestabilisatoren ausgestattet. Darunter ist beispielsweise ein mit 35 Prozent Glasfaser verstärktes Polyamid 66, das für den Einsatz in elektrischen und elektronischen Teilen entwickelt wurde. Polyamide werden verwendet, da diese einen guten Mix aus Festigkeit und Zähigkeit haben. Zudem genügen sie den Anforderungen der höheren Wärmeformbeständigkeit und guten Chemikalienbeständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen in Hybridfahrzeugen.

Weitere Trends, die zunehmend an Relevanz für Sensoren gewinnen, sind eine optimierte Wärmeleitfähigkeit, chemische Beständigkeit und optimierte Lasertransparenz für nachgelagertes Verschweißen von Bauteilen.

Herausforderung Motortechnik

Auch der elektrische Motor stellt neue Anforderungen an die Kunststoffe. Zu nennen ist beispielsweise die Zytel HTN 51-Serie. Bei ihr handelt es sich um teilaromatische Hochleistungspolyamide mit geringster Feuchtigkeitsaufnahme, sehr geringem Verzug und hoher Chemikalienbeständigkeit. Zudem weisen die Datenblätter sehr gute Dimensionsstabilität und Wärmealterungsbeständigkeit über 175 °C auf. Explizit bietet Zytel HTN51G35EF neben hoher Steifigkeit die notwendige Kriechstromfestigkeit und Durchschlagfestigkeit. Das 35 Prozent glasfaserverstärkte PPA ist organisch hitzestabilisiert und weist eine verbesserte Hydrolysebeständigkeit auf. Die Eigenschaften ermöglichen dünnwandige Teile im Spritzgießverfahren.

Für Hochvolt-Anwendungen, in denen mittlerweile Spannungen bis 1000 Volt üblich sind, eignet sich eine spezielle Zytel-Type für Anwendungen, wie Terminal Connectors, Power Cable Connector, Resolver und Bus Bar Ring Support. So wird das Material beispielsweise für Stromschienen im Inverter, der dem E-Motor vorgeschaltet ist, sowie für die Einzelzahnisolation an einem Spulenkörper eingesetzt, der im Elektromotor sowie im Inverter Dienst tut. Im Vergleich zu anderen Polyamiden 66 oder Polyphenylensulfiden (PPS) mit ähnlichem Glasfaseranteil biete die Zytel-Variante optimierte Kriechstromfestigkeit. Für Anwendungen mit ähnlichem Eigenschaftsprofil bietet DuPont zudem die Serien Zytel HTN 52 und 54 an. Wenn Flammschutz gefordert ist, ist eine Variante mit halogenfreier Brandschutzausrüstung V0 nach UL94 bei 0,4 Millimeter eine Option.

Europa bleibt treibende Kraft für Innovation

Auch wenn Europa im Produktions- und Absatzmarkt im Vergleich zu Asien künftig ein geringeres Wachstum verzeichnen dürfte, erwartet Biesterfeld auch weiterhin zahlreiche aus Europa kommende Innovationen und Lösungen für die weltweite Automobilproduktion. Noch stehe nicht fest, in welche Richtung sich der Automarkt langfristig bewegen werde. Klar sei jedoch, dass er sich verändern werde und die Phase der Weichenstellung bis in das Jahr 2040 und darüber hinaus längst begonnen habe. Biesterfeld und DuPont wollen auch in Zukunft eng zusammenarbeiten, um neue Trends frühzeitig zu erkennen und entsprechende Lösungen zu bieten.

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