Von der Idee bis zur Serie

Automobiler Leichtbau

Der Metallersatz durch hochverstärkte Kunststoffe bietet immer noch zahlreiche Potenziale, die bislang nicht ausgeschöpft sind.

Die Bedeutung von Leichtbaukomponenten in der Automobilindustrie nimmt zu. Die Treiber dafür sind immer strengere Vorgaben hinsichtlich der erlaubten Emissionswerte eines Fahrzeugs. Der Kraftstoffverbrauch und damit der CO2-Ausstoß lassen sich über eine Gewichtsreduktion senken. Durch den Abgasskandal hat das Thema zusätzlich an Dynamik gewonnen. Auch rückt die Elektromobilität in den Fokus. Das hohe Gewicht der Batterien gilt es an anderer Stelle zu kompensieren. Nur so können weite Strecken und hohe Leistungen realisiert werden. Das Leistungsgewicht (kWh/kg) spielt auch bei Sportfahrzeugen eine wichtige Rolle: Weniger Gewicht bedeutet mehr Beschleunigung.

Die spezifische Festigkeit (Festigkeit im Verhältnis zur Dichte) hochverstärkter Kunststoffe ist größer als die von Metallen. Grafik: Barlog
Die spezifische Festigkeit (Festigkeit im Verhältnis zur Dichte) hochverstärkter Kunststoffe ist größer als die von Metallen. Grafik: Barlog

Leichtbau versteht sich als Konstruktionsphilosophie, die maximale Gewichtseinsparung zum Ziel hat. Kunststoffe sind als Werkstoff geradezu prädestiniert hierfür. Geringe Dichte, freie Formbarkeit und vielfältige Möglichkeiten zur individuellen Modifizierung der Eigenschaften ergeben im Vergleich zu Metallkomponenten zahlreiche Vorteile. Auch die spezifische Festigkeit hochverstärkter Kunststoffe übersteigt die von vielen gängigen Metallen bei Weitem (Grafik).

Leichtbau durch Metallsubstitution ist ein Erfolgsmodell

Mit zunehmendem Wettbewerbsdruck sind neben den Werkstoffeigenschaften auch die Kosten entscheidend: Großserienfertigung im Spritzguss ermöglicht neben dem technischen Aspekt des Leichtbaus häufig eine Kosteneinsparung gegenüber gleichen Bauteilfunktionen aus Metall. Auch wenn derzeit Leichtbau-Themen wie Carbon, Organobleche oder 3D-Druck in aller Munde sind, ist der Bau von Volumenmodellen vor allem von den Produktionskosten getrieben. Metallsubstitution durch hochverstärkte Kunststoffe bietet hier Potenziale, die noch nicht ausgeschöpft sind.

Am Anfang eines jeden Projekts steht eine Idee oder ein Ziel. Das kann sowohl eine Problembehandlung als auch eine Produktverbesserung und Neuentwicklung betreffen. Hierzu stehen bei dem Kunststoffexperten Barlog zunächst eine Kosten- und Machbarkeitsanalyse an, die eine möglichst genaue konzeptionelle Projektdefinition umfassen: Anforderungsprofil, Änderungsmöglichkeiten, Rahmenbedingungen und Kostenziele sind hier die entscheidenden Variablen, die es zu bestimmen gilt. Innerhalb des Screenings werden zunächst die Erfüllung der Grundanforderungen und vereinfachte mechanische Analysen zur Kostenbetrachtung herangezogen. Dadurch bekommen Unternehmen zunächst einen schnellen und kostengünstigen Überblick, ob ein Projekt eine ausreichend hohe Erfolgschance hat.

Anschließend erfolgt die Materialauswahl, die sich insbesondere aus dem Anforderungsprofil ergibt. Über 500 Materialien stehen bei Barlog für Vergleichsuntersuchungen zur Verfügung. Hierzu werden die relevanten Materialdaten festgelegt und eine Auswahlmatrix erstellt. So kann die Materialauswahl für den individuellen Verwendungszweck optimiert werden. Kunststoffgerechte Konstruktionen am Computer konkretisieren die lastgerechte (Strukturanalyse/FEM-Berechnung und Topologieoptimierung) und die fertigungsrechte Gestaltung (Füllsimulation, Schwindung und Verzug). Hierdurch lassen sich die verschiedenen Produkteigenschaften bereits sehr genau vorhersagen.

Seriennahe Prototypen

Komplexe Lastfälle und anisotrope (richtungsabhängige) Materialeigenschaften sowie prozessbedingte Schwachstellen (Anspritzpunkte und Bindenähte) erfordern die Überprüfung der Entwicklungsergebnisse an möglichst seriennahen Prototypen: Im Spritzgussverfahren werden diese aus dem Originalmaterial zur schnellen, kostengünstigen und seriennahen Evaluierung hergestellt. Das zur Barlog Gruppe gehörende Bahsys-Prüflabor untersucht die Material- und Bauteileigenschaften des Prototypen auf ihren späteren Verwendungszweck. Hierdurch lassen sich mögliche Schwachstellen erkennen und beseitigen. Anschließend kann das Produkt für die Serienfertigung optimiert werden.

Gehäuse für einen Kupplungszentralausrücker: ursprünglich aus Aluminium produziert, jetzt aus dem Grivory PPA GF50. Das Gewicht konnte um 25 %, die Kosten um etwa 20 % gesenkt werden. Foto: Barlog
Gehäuse für einen Kupplungszentralausrücker: ursprünglich aus Aluminium produziert, jetzt aus dem Grivory PPA GF50. Das Gewicht konnte um 25 %, die Kosten um etwa 20 % gesenkt werden. Foto: Barlog
Weniger Gewicht und weniger Kosten

Es gibt immer noch viele Anwendungsfelder in der Automobilindustrie, mit Metallersatz durch Kunststoffe Gewicht zu sparen. Beispielsweise das Gehäuse eines Kupplungszentralausrückers (Bild links), das ursprünglich aus Aluminium produziert wurde. Die Produktanforderungen waren hoch: Das Produkt musste den Kontakt mit heißem Getriebeöl bis 160 °C, hohe mechanische Belastung durch Hydraulikdruck und Berstdruck höher als 100 bar standhalten sowie gutes Gleit- und Verschleißverhalten aufweisen. Mit Unterstützung von Barlog konnte das Aluminiumbauteil durch einen mit 50 % Glasfasern verstärkten, teilkristallinen thermoplastischen Konstruktionswerkstoff auf der Basis von Polyphthalamid (Grivory PPA GF50) ersetzt werden und damit eine Gewichtsreduktion von 25 % und eine Kostenreduktion von etwa 20 % erreichen.

Natürlich können Kunststoffkomponenten auch im Exterieur als Metallersatz verwendet werden. So geschehen bei einem Türgriffträger: Ursprünglich aus Zink wurde dieser durch mit 30 % Glasfasern verstärktes Polybutylenterephthalat (Kebater PBT GF30) ersetzt und konnte damit dimensionsstabil Temperaturen bis 80°C bei gleichzeitig hoher Luftfeuchtigkeit standhalten und verfügt über geräuschfreies Reibverhalten und vergleichbare Bauteilfestigkeit wie der vorige Zink-Druckguss. Darüber hinaus ließen sich die Kosten um circa 40 % und das Gewicht um die Hälfte senken.

Beide Beispiele zeigen: Die Zusammenarbeit mit erfahrenen Kunststoffexperten bietet enorme Einsparpotenziale in Bezug auf Kosten und Gewicht – ohne Qualitätsverlust mit fast grenzenloser Gestaltungsfreiheit.

Peter Barlog