Werkstoffe für den Fahrzeugbau

Weniger Gewicht – mehr Nutzen

Alternativen zu Metallen im Fahrzeugbau
Kunststoff statt Metall heißt es auch bei Honda: Der metallisch glänzende Türgriff für den Fahrzeuginnenraum fällt einbaufertig aus der Maschine, eine Oberflächenveredelung ist nicht mehr nötig.
Gewichtssenkungen schlagen direkt auf den Treibstoffverbrauch durch. Der zweite Grund metallische Bauteile durch Kunststoff zu ersetzen ist die häufig höhere Gestaltungsfreiheit und Funktionsintegration.

Angesichts hoher Metallpreise nimmt der Einsatz leistungsstarker, technischer Kunststoffe im Automobilbau zu. Doch beim Metallersatz geht es um weit mehr als „nur“ um die Kosten. Die Fahrzeugbauer zielen auf niedrigeres Gewicht und eine damit einhergehende Reduktion des Benzinverbrauchs und der CO2-Emissionen. Kurzfristig seien durchschnittlich 50 Kilogramm Gewichtsreduktion pro Mittelklasseauto realisierbar, erklärte Roeland H. Polet, Vice President von Ticona. Aber das mittelfristige Ziel sei deutlich höher: Er geht davon aus, dass allein durch den Einsatz von Kunststoffen anstelle von Metall oder Composite- bzw. Hybridlösungen Pkw bald bis zu 300 Kilogramm weniger auf die Waage bringen. Ausreichend Potenzial bieten dafür etwa 900 Kilogramm Stahl- und Metallerzeugnisse, die in einem Mittelklassewagen heute im Durchschnitt verarbeitet sind. Polet rät, stets das gesamte System im Blick zu haben und vorab alle Anforderungen an mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften sowie Design-, Verarbeitungs-, Veredlungs- und Umweltaspekte exakt zu prüfen. Das Ziel muss sein, schon in der Planungsphase alles so zu konzeptionieren, dass später keine teuren und zeitintensiven Korrekturen anfallen. Dazu verfüge Ticona über verschiedene Anwendungs-Entwicklungszentren und weltweit einheitliche Produktspezifikationen.

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Auf Metalle kann und soll der Automobilbau nicht verzichten. Aber vor dem Hintergrund der Treibstoffpreise, des Fahrzeuggewichts und der CO2-Problematik besteht dringender Handlungsbedarf, wo immer möglich Alternativen zu entwickeln. Der enge Zusammenhang zwischen Gewicht, Verbrauch und Emissionen ist mehr als deutlich: So erhöhte sich mit dem durchschnittlichen Flottengewicht der Hersteller von 2005 auf 2006 linear auch der Kohlendioxidausstoß. Zu diesem Ergebnis kam die T&E (European Federation for Transport and Environment) in einer 2007 veröffentlichten Untersuchung. Im Umkehrschluss heißt das laut T&E: Mit jedem Prozent, das an Gewicht eingespart wird, geht der CO2-Ausstoß zurück. Als positives Paradebeispiel verweist das Unternehmen auf BMW und die PSA-Gruppe, die 2006 als einzige europäische Automobilhersteller das Flottengewicht senkten und gleichzeitig die Liste der Hersteller bzgl. der CO2-Reduktion anführten. Durch Einsatz von Kunststoffen gegenüber alternativen Materialien könnten 97 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente pro Jahr eingespart werden. Das entspricht 30 Prozent des europäischen Beitrags zu den Kyoto-Zielen.

Fakt bleibt jedoch, in den vergangenen 15 Jahren wurden die Autos im Schnitt nicht leichter, sondern um etwa 30 Prozent schwerer. Wog der VW Golf bei seiner Einführung 1974 noch 800 Kilogramm, bringt es der Golf V auf rund 50 Prozent mehr. Kunststoffe können beim Abspecken helfen – ohne Einbußen bei den Sicherheits- oder Komfortfeatures, denen der Wagen zum wesentlichen Teil seine Pfunde verdankt, wie Hersteller und Zulieferer versichern.

Automobilbauer und Verarbeiter, Institute und Verbände sowie Materialproduzenten haben sich dem Problem angenommen. Sie arbeiten gemeinsam an Lösungen: Der Ersatz von Metallen durch Kunststoffe oder andere Leichtbaumaterialien lohnt sich, wenn die Gesamtkosten um etwa 15 Prozent gesenkt werden können. Das gelingt durch verstärkten Einsatz technischer Kunststoffe. Diese ermöglichen hohe Flexibilität beim Produktdesign, sind vielfältig einfärbbar und erlauben die problemlose Umsetzung komplexerer Bauteile mit weniger Einzelteilen.

Unterm Strich müssen Automobilbauer und OEMs kosteneffiziente Gesamtlösungen herbeiführen, indem sie Prozess- und Verfahrensschritte ebenso reduzieren wie das Gewicht des fertigen Bauteils. Ansatzpunkte mit sehr viel Potenzial bieten Struktur, Karosserie sowie Antriebsstränge von Pkw – und damit verbunden der Ersatz metallische Werkstoffe durch technische Thermoplaste oder Faserverbundwerkstoffe bzw. Hybridverbunde mit Kunststoffen.

Zur Einsparung von bis zu 50 Kilogramm tragen beispielsweise unzählige Lösungen im Kleinen bei, darunter Kurbelwellenflanschdichtungen aus Fortron PPS. Der Ersatz von Aluminium ergibt laut Materiallieferant eine 32-prozentige Gewichtsreduktion, also von 250 auf 170 Gramm. Bei Ladeluftrohren für Turbolader lasse sich das Gewicht um 43 Prozent senken. Statt der 870 Gramm Aluminium wiegt das gleiche Teil aus PPS nur 500 Gramm. Ein größerer Sprung lässt sich bei Strukturbauteilen erzielen, etwa Unterbodenverkleidungen, Armaturentafeln, Dach-, Frontend- oder Türmodulen.

Innovative Leichtbaustrukturen: Lernen vom Flugzeugbau

Maßgeschneiderte Lösungen ermöglicht die Kombination mehrerer Materialien, da die Vorzüge der einen Werkstoffgruppe mit denen der anderen verknüpft werden. Für große Bauteile sind etwa Faser-Kunststoff-Verbunde ideal. Die Leistungskraft und Widerstandsfähigkeit solcher Composites zum Beispiel auf Grundlage von Fortron PPS haben Airbus oder Boeing längst überzeugt, sie in großen Profilteilen oder kleinen, stark gewichtsreduzierten Innenraumanwendungen einzusetzen. In knapp 1000 Teilen des A380 spart der Hersteller durch langfaserverstärkte Faserverbundwerkstoffe mit einer PPS-Matrix mitunter bis zu 50 Prozent an Gewicht. Ein Beispiel dafür ist eine im Rücksitz integrierte Lendenstütze aus PPS-Composites mit 150 Gramm. Eine vergleichbare Stütze aus Aluminium hätte mit 280 Gramm fast das doppelte Gewicht. Bei insgesamt 555 Sitzen ergibt sich so eine Gesamtersparnis von immerhin 72 Kilogramm.

Auch im Automobilbau finden Composites heute schon Verwendung. So nutzt Volkswagen beim Golf Plus den langfaserverstärkten Thermoplasten Celstran+ (LFT) für die großzügig dimensionierte Armaturentafel. Der Werkstoff bietet hohe Steifigkeit und Zähigkeit. Gleichzeitig werden wichtige Komponenten, darunter der Beifahrerairbag, vollständig in die Strukturbauteile integriert und durch den Wegfall von Metall sowie der Einsparung einzelner Arbeitschritte Gewicht und Fertigungskosten reduziert. Das Material ist außerdem in Steuergeräteboxen, Frontends und Sitzschalen verarbeitet. Auch in Türmodulen ersetzt er bereits Stahl und führt zu Gewichtsreduktion von etwa 8 Kilogramm pro Fahrzeug. Dadurch sinkt der Treibstoffverbrauch um 4 Prozent.

Vorgefertigt: die neue Leichtigkeit

Aufgrund des steigenden Bedarfs an leichten und zugleich sehr belastbaren Materialien hat Ticona jetzt thermoplastische Composites aus dem langfaserverstärkten Celstran im Portfolio. Die Composites umfassen eine Reihe von endlosfaserverstärkten Thermoplasten, deren Verarbeitung und Eigenschaften auf spezielle Kundenanforderungen angepasst werden können. Sie wiegen zudem weniger als Duroplaste und Leichtmetalle. Außerdem lassen sie sich rationeller und umweltfreundlicher verarbeiten. Damit erschließen die thermoplastische Composites Leichtbaustrukturen im Energie-, Flugzeug-, Waggon- und eben dem Automobilbau neue Gewichts- und Gestaltungsdimensionen. Darüber hinaus überzeugt der Materialverbund vor allem durch sein mechanisches Eigenschaftsprofil und Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien. Auf Basis unterschiedlicher thermoplastischer Matrixmaterialien (PP, POM, TPU etc.) sowie der Einbettung diverser Fasern (Glas, Karbon) und der Zugabe von Additiven werden die jeweils geforderten Eigenschaften maßgeschneidert. Im Vergleich zu Kupfer, Stahl oder auch Aluminium und Magnesium haben technische Kunststoffe die niedrigste Dichte. Das geringe Gewicht trägt zur verbesserten Energieeffizienz und damit zu weniger CO2-Ausstoß bei.

Trend zu hochwertiger Optik kosteneffizient möglich

Ein neuer Spezialtyp des Polyacetalcopolymers Hostaform POM erlaubt die einfache wie kostengünstige Fertigung metallisch anmutender Türgriffe für den Fahrzeuginnenraum. Eingesetzt werden die farbechten, kratz- und verschleißfesten Bauteile unter anderem im neuen Honda Civic. Die hochwertige Metalloptik als gewünschtes Finish bringt POM gleich mit – ohne zusätzliche Lackierung oder weitere Arbeitsschritte. Bislang waren bei Kunststoffanwendungen dafür aufwendige Vor- und Nacharbeiten wie Lackierung, Beschichtung oder Vakuum-Metallisierung nötig. Durch Einsatz des innovativen metallischen Hostaform-Typs haben die Griffe unmittelbar nach der Entnahme aus der Spritzgießform alle erwünschten Eigenschaften. Zusätzliche Arbeitsschritte sowie damit verbundene Handling-, Transport- oder Qualitätssicherungskosten entfallen. Auch eine spürbare Entlastung der Umwelt wird erreicht, da in einigen Fällen der Umgang mit Werkstoffen der Gefahrgutklasse, der bei bisherigen Lösungen an der Tagesordnung war, wegfällt.

Im Bereich Fahrzeugentwicklung ist heute kosteneffizienter Leichtbau und die damit einhergehende Reduktion des Benzinverbrauchs sowie der CO2-Emissionen ein wichtiger Erfolgsfaktor – die Möglichkeiten noch bei weitem nicht ausgeschöpft. Technische Thermoplaste helfen der Automobilindustrie, die Kosten- und Gewichtsreduktionsziele zu erreichen.

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