Alternative zu Aluminium und Harzsystemen im Alltag

Thermoplastische Verbundwerkstoffe erobern den Fahrzeugbau

Immer mehr Automobilkomponenten werden aus Hochleistungskunststoffen hergestellt, um Gewicht zu sparen und damit den Treibstoffverbrauch sowie den CO2-Ausstoß zu senken.

Dank integrierter Glasfaser-Matten oder -Gewebe erreichen thermoplastische Verbundwerkstoffe hohe Steifigkeit und Stabilität. Die Quadrant Plastic Composites AG (QPC) hat hier unter anderem den GMTex-Kunststoff (GMT - Glasmattenverstärkte Thermoplaste) entwickelt, der in strukturellen Bauteilen 20 bis 40 Prozent des Gewichts konventioneller Konstruktionen Gewicht einsparen könne. Verwendung finden die Materialien beispielsweise als Stoßfängerquerträger oder in den Überrollbügeln des Mercedes SLK.

Bei einem Unfall mit Überschlag in einem offenen Wagen kann meist nur der Überrollbügel schwere Oberkörperverletzungen der Insassen verhindern. Seine Zuverlässigkeit und Stabilität ist unter Umständen lebenswichtig. Um etwaige kritische Punkte frühzeitig beseitigen zu können und maximale Belastbarkeit zu erreichen, arbeitete QPC bei der Konzeption des Sicherheitsbauteils eng mit seinem Tochterunternehmen Quadrant Metal Plastic Solutions zusammen, das auf FEM-Simulationen, Komponentenauslegung und Versuchsabsicherung spezialisiert ist. Als Werkstoff wurde ein Mix aus glasmattenverstärktem GMT und dem noch robusteren, GMTex verwendet, um hohe Steifheit, Dimensionsstabilität und Aufprallperformance zu erreichen. Darüber hinaus ist diese Lösung laut Unternehmen gegenüber der Standard-Stahlkonstruktion drei Kilogramm leichter, reduziert die Zahl von neun Einzelteilen auf eine Komponente und spart somit Montagekosten, ist korrosionsbeständig und wiederverwertbar. Auch die Verarbeitung ist einfach: Das Halbzeug wird im Pressverfahren direkt in die gewünschte Form gebracht - in diesem Fall ein Bügel mit integrierten Querverstrebungen je Sitz auf einer gemeinsamen Trägerleiste - und kann bei Bedarf auch nachbearbeitet werden, vom Bohren und Stanzen über das Finishen bis zum Laserschneiden.

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Leichter und stabil
Grundlage dafür ist der besondere Aufbau des Werkstoffs: Endlos-Fasern aus Glas oder Synthetikmaterial sorgen für eine enorm hohe Festigkeit. Diese werden entweder als Matten oder, für extreme Belastungsansprüche, als textilartiges Gewebe in eine Matrix aus Polypropylen oder Polyamid eingebettet. Auf diese Weise werden sehr gute Crash-Absorptionswerte erzielt. Zudem sei mit dem über den Temperaturbereich von -40 bis 90 Grad Celsius gleich bleibende Eigenschaftsprofil sichergestellt, dass der Werkstoff auch bei Kälte nicht versprödet und ein gutmütiges Bruchverhalten ohne unkontrolliert herumfliegende Bruchstücke aufweist. Das Flächengewicht der GMT/GMTex Verbundwerkstoffe liegt bei 5328 beziehungsweise 5808 g/m² und damit bei weniger als der Hälfte einer vergleichbaren Aluminiumplatte.

Die genaue Rezeptur von Verstärker und Matrix wird jeweils an das Anwendungsprofil angepasst, um den konkreten Anforderungen an Beständigkeit, Schall- und Schwingungsdämpfung, Zähigkeit oder Elastizität zu entsprechen. So lässt sich mit Polyamid beispielsweise eine erhöhte Temperaturbeständigkeit erreichen. Insgesamt umfasst das Produktspektrum von der QPC 18 GMT- und 11 GMTex-Varianten. Hinzu kommen die ultraleichten Symalite-Thermoplaste, die unter anderem Sperrholz oder Hartschäume ersetzen und ohne Klebstoff direkt mit Dekor- oder Funktionsschichten verpresst werden können, sowie Multiq-Sandwichplatten.

Vielseitig einsetzbar
Glasfaser- und gewebeverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffe bewähren sich bereits seit längerem für semi-strukturelle Bauteile wie Instrumententafelträger, Heckklappen, Türmodule oder Sitze. Symalite wird etwa für die Unterbodenverkleidung des BMW M3 verwendet, wodurch sich außer der Gewichtsreduzierung auch eine verbesserte Akustik und eine geringere Wasseraufnahme realisieren ließen. Eine weitere Neuentwicklung im Bereich struktureller Komponenten ist neben den Überrollbügeln beispielsweise das Frontend-Modul für Mercedes S-Klasse-Coupés. Hier wurde erstmals eine reine Composite-Lösung ohne zusätzliche Stahlverstärkung verbaut, die, so das Unternehmen, dank ihrer Materialeigenschaften alle Ansprüche an Festigkeit, Steifigkeit und Dimensionsstabilität bei Temperaturen von bis 130 Grad Celsius erfüllt. Ebenso wurde für einen chinesischen Automobilzulieferer eine Schlechtwege-Kapsel für die teils rauen Straßen der asiatischen Schwellenländer entwickelt, die auf der hohen Bruchsicherheit und Haltbarkeit des GMTex-Materials basiert.

Die Nachfrage nach derartigen Leichtbau-Komponenten steige weltweit, vor allem die Möglichkeiten zur CO2-Reduktion spielen eine immer wichtigere Rolle in der Automobilindustrie. QPC will daher nach seinen Werken in der Schweiz, Deutschland, Kanada und Japan 2014 einen weiteren Produktionsstandort in China eröffnen. Die Entwicklung innovativer Metall-Kunststoff-Hybridmaterialien und der verstärkte Einsatz von Organoblechen (LIPA Projekt), die zum Umspritzen geeignet sind, soll diese Tendenz noch verstärken.

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