Leichtbau in der Automobilindustrie

Kunststoffeinsatz für bessere Technik und geringere Kosten

Wie senke ich CO2-Ausstoß und Kraftstoff-Verbrauch und fertige trotzdem zeitgemäße, attraktive Fahrzeuge? Die Entwicklungen rund um diese Fragestellung haben in den letzten Jahren noch einmal deutlich an Fahrt aufgenommen – müssen die europäischen Automobilhersteller doch bis Ende 2020 den durchschnittlichen CO2-Ausstoß ihrer Flotten-Fahrzeuge auf unter 95 Gramm pro Kilometer drücken. Sonst drohen saftige Strafzahlungen. Weitere Senkungen dieser Grenzwertregelung bis 2025 und 2030 diskutiert die Europäische Kommission bereits.

Tankdeckelscharnierarm für Audi – ein Polyamid 6 mit 50 Prozent Glasfaseranteil wurde durch ein mit 30 Prozent recycelter Kohlefaser verstärktes Polypropylen ersetzt. Daraus resultiert eine signifikante Gewichtsersparnis. (Bild: Albis)

Um dieses Ziel zu erreichen, stehen der Automobilindustrie im Wesentlichen drei Stellschrauben zur Verfügung: Kleinere, effizientere Motoren, alternative Antriebssysteme sowie innovative Leichtbau-Konzepte zur Gewichtsersparnis und damit Verbrauchsminimierung. Während im Bereich Motoren bereits erhebliches Potenzial ausgereizt ist, ist Leichtbau für die Automobilindustrie ein Thema hoher Priorität und Relevanz. Der Einsatz zahlt sich aus – 100 Kilogramm weniger Gewicht reduzieren den Verbrauch im Schnitt um einen halben Liter auf 100 Kilometer und sparen etwa 8 bis 10 Gramm CO2 pro Kilometer ein.

Diese Konzepte sind jedoch nicht nur für konventionelle „Verbrenner“ relevant, sondern in höchstem Maße auch bei der Kons­truktion von Elektrofahrzeugen. Hier ist die Motivation naturgemäß eine andere: Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts führt nicht zu einem verminderten CO2-Ausstoß, sondern zur Erhöhung von Fahrleistung und Reichweite.

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Aluminium, Magnesium, neue Stähle, Titan, sogar Holz: In den vergangenen Jahren wurden die gängigen Werkstoffe deutlich weiter entwickelt, doch mittlerweile sind diese offensichtlichen Potenziale nahezu ausgeschöpft. Bei Herstellern und Zulieferern wird nun nach neuen, ergänzenden Konzepten gesucht. Kunststoffe haben sich aus ebendiesen Gründen in den vergangenen Jahrzehnten einen immer höheren Stellenwert im Automobilbau erobert. Heute bestehen im Durchschnitt bis zu einem Viertel der Einzelteile eines modernen Autos aus diesem Werkstoff. Nachdem bisher vorwiegend Metallkomponenten mit Kunststoffkonstruktionen substituiert wurden, ist nun verstärkt auch der Ersatz vergleichsweise schwerer Standardkunststoffe durch leichtere Kunststoffe möglich – die zudem Kostenvorteile bieten können. Ein vielversprechendes Stichwort in diesem Zusammenhang ist Carbon. Compounds auf Basis recyclter Carbonfaser sind eine noch neue Technologie mit großen Potenzialen. Mit Hilfe der vom Unternehmen Wipag Deutschland entwickelten Technologie und den Produktserien WIC PP und WIC PA können relativ schwere hochglasfasergefüllte Polyamid(PA)-Compounds durch leichtere Polypropylen(PP)-CF-Compounds ersetzt werden. Wipag ist ein Tochterunternehmen der Albis Plastic und spezialisiert auf die Aufbereitung und Herstellung spritzgießfähiger carbonfaserbasierter Compounds aus CfK-Produktionsresten der Automobil- und Luftfahrtindustrie im geschlossenen Kreislauf (Closed-Loop).

Das deutlich leichtere PPS-Compounds Tedur hat in der Kühlmittelpumpe das bislang verwendete Aluminium ersetzt; der identische Wärmeausdehnungskoeffizient erleichtert die Substitution. (Bild: Albis)

Die Gewichtsersparnis ist laut Unternehmen enorm: Bei vergleichbaren Eigenschaften und Kosten beträgt sie je nach Materialaustausch bis zu 30 Prozent. Ein weiterer interessanter Aspekt dieser Compounds ist die finanzielle Seite: Auch wenn der Preis pro Kilo auf den ersten Blick höher ist als der von beispielsweise PA-Compounds, sind die PP CF-Bauteile aufgrund der deutlich niedrigeren Dichte unter dem Strich kostengünstiger.

Gewicht und Kosten präzise nachgerechnet
Ein gutes Rechenbeispiel dazu ist die Modellrechnung, die das ­Albis-Team anhand eines Tankdeckelscharnierarms von Audi durchgeführt hat. Bei der Überarbeitung wurde ein Polyamid 6 mit 50 Prozent Glasfaseranteil durch ein mit 30 Prozent recycelter Kohlefaser verstärktes Polypropylen ersetzt. Die daraus entstehende signifikante Gewichtsersparnis resultiert aus dem Dichteunterschied zwischen dem Glasfaser-Compound mit 1,58 g/cm3 und der Kohlefaser-Gegentype mit 1,05 g/cm3 und liegt bei >30 Prozent. „Über die Volumenpreiskalkulation des Compounds entsteht eine Reduktion der Materialkosten für das Bauteil um etwa fünf bis zehn Prozent. Scheinbare Mehrkosten für das Kohlefaser-Compound in Euro/Kilogramm egalisieren sich bei der Betrachtung in Euro/Liter“, erklärt Bernd Sparenberg, Vice President Technical Coupounds bei Albis. „Der Endkunde kauft aber das Volumen und nicht das Gewicht eines Bauteils.“

Als Metallersatz dagegen wurde Tedur konzipiert, der Markenname für Compounds auf PPS-Basis. Tedur zeichnet sich durch sehr hohe Festigkeit, Steifigkeit und Dimensionsstabilität aus – auch bei hohem Innendruck. Weiterhin verbinden die Materialien gute Hydrolyse-, Chemikalien- und Kraftstoffbeständigkeit mit hoher Kriechfestigkeit auch bei hohen Temperaturen. Es ist geeignet für Dauergebrauchstemperaturen bis 240 Grad Celsius und kann somit unter anderem auch für Anbauteile direkt am Motorblock verwendet werden.

Über die Volumenpreiskalkulation des Compounds entsteht eine Reduktion der Materialkosten für das Bauteil um etwa fünf bis zehn Prozent“, erklärt Bernd Sparenberg, Vice President Technical Coupounds bei Albis. (Bild: Albis)

Zum Vergleich: Aluminium hat eine Dichte von etwa 2,70 kg/m³. PPS dagegen weist je nach Füllstoffgehalt eine Dichte zwischen 1,60 und 1,80 kg/m³ auf. Das bedeutet ein Gewichtsersparnis von 30 bis 35 Prozent – bei gleichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten. Unterschiede ergeben sich zudem in der Produktion: Während beim Aluminium nach dem Druckguss-Prozess noch die spanende Nachbearbeitung folgt, ist das PPS-Bauteil mit dem Spritzguss in nur einem Schritt fertig. Dies schlägt sich in einer zusätzlichen Kostenersparnis nieder. Außerdem bietet das Spritzgießen höhere Designfreiheit und beispielsweise Möglichkeiten der Integration weiterer Funktionen. Auch das kann die Gesamtkosten, beispielsweise in der Montage, senken. Aus diesem Grund hat sich das Unternehmen Kipa-Plast dazu entschieden, ihre Kühlmittelpumpe für Busse aus Tedur zu fertigen. „An dem Beispiel der Kühlmittelpumpe ist sehr gut zu erkennen, welche Möglichkeiten Kunststoffe, besonders Tedur PPS Compounds, im Bereich der Metallsubstitution mit der hohen Designfreiheit des Kunststoffspritzgusses bieten und damit zur Gewichtsreduzierung beitragen können“, sagt Söhnke Müller, Director Specialties bei Albis.

Technik und Wirtschaftlichkeit im Fokus
Gewichtsersparnis und Kostenreduktion waren auch die Ziele bei Entwicklung von Altexh NXT PP: Diese technischen Compounds auf der Basis von Polypropylen sind mit Glasfaser- und Glasfaser/Mineral-Füllstoffen erhältlich. In Abgrenzung zu Standard-PP weist Altech Nxt dadurch eine deutlich höhere Steifigkeit sowie Wärmeformbeständigkeit und -alterungsbeständigkeit auf. Es füllt damit die bis dato bestehende Lücke zwischen Standard-PP und Polyamid auf und kann sogar als Ersatz für PA6 GF30 fungieren.

Ein direkter Ersatz in Bauteilen und Werkzeugen ist möglich und resultiert in einem Gewichtsersparnis von rund 15 Prozent. Denn der Unterschied in der Dichte ist signifikant: PA6 GF30 schlägt mit 1,36 g/cm³ zu Buche, Altech Nxt PP GF35 mit 1,18 g/cm³. Daraus folgt auch ein niedrigerer Materialverbrauch. Zudem ist PP deutlich kostengünstiger als PA.

Weitere Pluspunkte: Polypropylen nimmt kein Wasser auf, zeigt eine gleichmäßigere Schwindung. Dies bedeutet: Weniger Verzug und deutlich bessere Maßhaltigkeit der Formteile. Gegenüber Polyamid sind geringere Prozesstemperaturen notwendig, was wiederum Energie spart. Neben wirtschaftlichen werden also auch technische Vorteile realisiert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass auf Kunststoffen basierende Werkstoffe bei der Konstruktion effizienterer und umweltfreundlicherer Autos in den nächsten Jahren eine weiterhin wachsende Rolle einnehmen werden. Dank weiterer Steigerung hinsichtlich Zähigkeit, Temperatur-Resistenz und Kosteneffizienz lassen sie sich in einem zunehmend größeren Spektrum einsetzen, während sie mit Recycling-Verfahren wie Cloosed Loop zugleich einen großen Schritt in Sachen Nachhaltigkeit genommen haben.

„Gerade die aktuelle Initiative der Europäischen Kommission demonstriert die Notwendigkeit, das Thema Recycling und Kreislaufwirtschaft weiter voranzubringen“, unterstreicht Bernd Sparenberg.

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