Kunststoffe für den Fahrzeugbau

Funktioneller – schöner – sicherer

Kunststoffe spielen ihre Stärken im Automobil aus
Kunststoff schützt – mechanische Funktionselemente der „aktiven“ Kopfstütze sind aus Kunststoffen gefertigt.
Automobilbau heißt immer auch intelligenter Kunststoffeinsatz. Von eher dekorativen Bauteilen, beispielsweise beim Interieur, über rein funktionale Bauteile bis zu Sicherheitselementen – so eine Art Königsklasse der Werkstoff- und Verarbeitungsspezialisten.

Unter der Motorhaube nehmen Kunststoffe eine ganze Reihe von Aufgaben wahr – unter schwierigen Bedingungen: Hohe Temperaturen, Vibrationen und unterschiedliche chemische Beanspruchungen aus Ölen, Treibstoffen sind einige davon. Trotzdem nehmen aus Gründen der Gewichtsersparnis und der häufig höheren gestalterischen Freiheit und Funktionsintegration Kunststoffe immer neue Anwendungen. Dementsprechend wurde ein (Polyphenylensulfid) PPS speziell für das Blasformen optimiert. Der Typ Fortron 1115LO ist als hochtemperaturbeständiger Werkstoff für die steigenden Temperaturen unter der Motorhaube geeignet und spart Gewicht ein. In Kombination mit einem weiteren PPS-Typ sowie einem neuen Anbindungsverfahren konnte Röchling Automotive bei einem Ladeluftrohr damit die Fertigungskosten um bis zu 25 Prozent senken.

15 Prozent Glasfaser-Anteil, hohe Schmelzefestigkeit und Viskosität sind die relevanten Eigenschaften dieses PPS. So lassen sich beispielsweise Rohre mit komplexer Formgebung und hoher Fertigungsgüte, wie das von Röchling Automotive in Zusammenarbeit mit Ticona entwickelte Ladeluftrohr, herstellen. Es kommt in den Zwei-Liter-Dieselmotoren von VW zum Einsatz und wurde von der SPE (Society of Plastics Engineers) ausgezeichnet.

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Mit einer Kombination aus Prozess- und Produktoptimierungen sinken bei der Fertigung des Ladeluftrohrs die Kosten gegenüber einem vergleichbaren Aluminiumsystem laut Verarbeiter um etwa 25 Prozent. Gleichzeitig zeichne sich das Rohr durch hohe Beständigkeit und lange Lebensdauer bei den widrigen Konditionen unter der Motorhaube aus und es sei um bis zu 30 Prozent leichter als bisher eingesetzte Komponenten aus Aluminium.
Entscheidend bei der Kostenreduktion war das Integrieren von Elementen bereits während des Blasformens. Bislang wurden Halterungen, Laschen, Clipse usw. in separaten Werkzeugen spritzgegossen und anschließend mit dem blasgeformten Rohr im dritten Verfahrensschritt verschweißt. Mit dem neuen Verfahren des Spritzfügens werden die drei Arbeiten – Blasen, Spritzgießen und Fügen – zu einem Fertigungsschritt kombiniert.

Für die zu spritzenden Befestigungselemente wird ein PPS mit 30 Prozent Glasfasern genutzt. Es bietet gute Fließeigenschaften, ist schlagzäh, modifiziert und hat vor allem sehr gute Haftungseigenschaften zum Typ 1115L0.

Das Ladeluftrohr aus PPS wird auch deshalb eingesetzt, weil sich die Bedingungen unter der Motorhaube radikal verändern. Grund dafür ist das Downsizing in der Motortechnik: Hubraum und Zylinderanzahl werden verringert, die damit einhergehende Leistungseinbuße mit Turbolader oder Kompressor weitgehend kompensiert. So werden schon heute die Lastenhefte der Autokonzerne neu geschrieben: Demnach sind beispielsweise künftig kühlwasserführende Baukomponenten mit 140 Grad Celsius auszulegen. Diese Anhebung der Temperatur eröffnet dem hochtemperaturbeständigen PPS neue Marktchancen – zumal der Werkstoff dazu beitragen kann, Rationalisierungs- und Kostensenkungen ohne Leistungseinbußen zu verwirklichen.

Aktive Sicherheit dank Kunststoff

Sicherheitsrelevante Bauteile an Fahrzeugen unterliegen naturgemäß besonderen Anforderungen. Gerade in solchen Funktionen beweisen Kunststoffe immer häufiger, dass sie nicht nur kostengünstiger sein können als Metalle, sondern auch die technologisch besseren Lösungen bieten. Die nutzt BMW beziehungsweise sein Zulieferer in Form von Hostaform POM und Celstran LFT in den crashaktiven Kopfstützen der 3er-Reihe. Die beiden Ticona-Werkstoffe sollen sowohl mit ihren mechanischen als auch mit ihren Verschleiß- und Emissionseigenschaften überzeugen.

Eine der häufigsten Unfallverletzungen im Straßenverkehr ist das Schleudertrauma. Die „crashaktiven“ Kopfstützen tragen dazu bei, das Risiko einer Nackenverletzung zu reduzieren.

Im Falle eines Heckaufpralls mit einer Geschwindigkeit von mehr als zwölf Stundenkilometern bewegt eine komplexe, federgetriebene Mechanik die Kopfstütze in Sekundenbruchteilen nach vorne und oben. Der Abstand zum Kopf des Fahrzeuginsassen verringert sich, bevor er nach hinten geschleudert wird. Bei dem Sicherheitsmechanismus, der bei einer Kollision ausgelöst wird, handelt es sich um ein reversibles System. Das System ist mit wenigen Handgriffen wieder zu aktivieren. Das für die Funktionsbauteile eingesetzte POM eignet sich in den crashaktiven Kopfstützen – wie auch in anderen Anwendungen, in denen es auf geringen Verschleiß und hohe Dimensionsstabilität ankommt, als besonders gut geeignet. Es weist nicht nur geringe Abnutzung auf, sondern verfügt auch über ein optimiertes Gleit-Reib-Verhalten, so dass kein Diskomfort, wie Geräusche beim Verstellen der Kopfstütze, entsteht. Außerdem erfüllt es die niedrigen Emissionsvorgaben und nimmt keine Feuchtigkeit auf.
Celstran mit Polypropylen als Matrixmaterial kommt dagegen im Kopfstützenmodul zum Einsatz. Auch unter starker Beanspruchung bieten die leichten, aber doch hoch belastbaren Kunststoffkomponenten die geforderte Stoßresistenz. Während eines Aufpralls absorbiert der langfaserverstärkte Thermoplast einen Großteil der Verformungsenergie und erhöht so die Sicherheit der Frontpassagiere. Und nicht zuletzt, so der Anbieter, überzeugen die Werkstoffe außer mit ihren technischen Eigenschaften auch durch eine kostengünstige Fertigung der Bauteile.

Für das Auge, nicht für die Nase

Während es bei so funktionalen Bauteilen und -gruppen eher auf die klassischen Daten wie Festigkeiten, Dehnung und Reibbeiwerte ankommt, müssen Bauteile für das Interieur auch gesteigerten Ansprüchen an Gerüche genügen. Ein penetranter Geruch wird von kaum einem Autofahrer toleriert, auch nicht bei intensiver Sonneneinstrahlung. Mit der zweiten Generation seiner Hostaform XAP-Typen hat Ticona nach eigenen Angaben die Emissionen um 50 Prozent unter die bereits niedrigen Werte der ersten XAP-Generation gesenkt. Damit lassen sich nicht nur die Normen der europäischen Automobilindustrie weiter unterschreiten, sondern auch Vorgaben asiatischer Hersteller gut einhalten. Mit den geringen Ausdunstungsraten unterschreiten die Typen dieser Werkstoffgeneration die selbst auferlegten Richtlinien des Verbands der Automobilindustrie (VDA) um mindestens 50 Prozent. Bei „Natur“-Material oder in der Masse durchgefärbtem Polyoxymethylen Copolymer (POM) seien die Emissionswerte sogar noch niedriger.

Damit sei eine gute Balance zwischen physikalischen und chemischen Eigenschaften gewährleistet: Dazu zählen vor allem die hohe Schlagzähigkeit und das gute Rückstellvermögen sowie besondere Gleit-Reib-Eigenschaften. Gleichzeitig erweisen sich auch die Hostaform-Typen im Verarbeitungsprozess als robust und konstant. Ein Beispiel: Selbst nach 8000 Zyklen finden sich im Spritzgießwerkzeug noch keinerlei Ablagerungen des Polymers.

Bis Ende 2010 sollen alle Materialien dieser Gruppe die Eigenschaften der zweiten Generation erreichen. Das betrifft 24 Typen der ersten Generation in rund 200 Varianten, die gegenwärtig auf dem Markt sind. Bei der Umstellung auf die deutlich verbesserten Werkstoffe will der Hersteller seine Kunden, die Anwender unterstützen.

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