Leichtbau mit Know-how

Barlog zeigt auf dem VDI-Kongress "Plastics in Automotive Engineering" welches Potenzial im Automobil-Leichtbau mit Kunststoffen steckt.

Leichtbau versteht sich als Konstruktionsphilosophie, die maximale Gewichtseinsparung zum Ziel hat. Früher war das Thema lediglich für den Rennsport, Flugzeugbau und die Raumfahrt interessant. Geringe Stückzahlen und viel Manufaktur prägten die Herstellung. Geld spielte dabei keine Rolle.

Heute hat der Leichtbau die Serienfertigung im Automobilbau längst erreicht. Im Vergleich zu anderen Industrien wird hier bereits häufig auf Kunststoffkomponenten gesetzt. Maßgeschneiderte Lösungen weisen zumeist gleiche oder bessere Eigenschaften im Vergleich zu Metall auf und sparen dazu noch Kosten ein. Anwendung finden die Kunststoffteile beispielsweise in Fahrwerkskomponenten, Bauteilen im Turbolader oder ganzen Teilen in der Karosserie oder im Interieur. Die Potenziale sind jedoch längst nicht ausgeschöpft. Anhand der Themen Kunststoff als Metallersatz und Bionik zeigt Barlog auf dem VDI-Kongress "Plastics in Automotive Engineering" mit passenden Anwendungsbeispielen Möglichkeiten und Nutzen des Werkstoffs auf.

Leichtbaulösungen erfordern mehr als Metall durch einen leichten Hochleistungskunststoff zu ersetzen. Zunächst kommt es darauf an, den richtigen Werkstoff zu bestimmen: Hierzu gehört ein umfassendes Wissen um die Stärken und Schwächen faserverstärkter Kunststoffe. Insbesondere die Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften und die reduzierte Festigkeit in Bindenähten ist bei der Leichtbau-Konstruktion wichtig. Dadurch lässt sich die Bauteilstruktur individuell gestalten, so dass Spannungsspitzen vermieden und jedes überflüssige Gramm Material eingespart werden.

Ein Anwendungsbeispiel ist die Direktverschraubung von Kunststoffteilen mittels Kunststoffschrauben. Die Verbindungselemente aus dem thermoplastischen Konstruktionswerkstoff Grivory HTV-5H1 mit 50 % Glasfaseranteil bieten eine Gewichtseinsparung im Vergleich zu Stahlschrauben von bis zu 85 % bei gleichbleibender Verbindungssicherheit.

Auch Komponenten aus dem Exterieur bieten viele Ansatzpunkte zur Gewichtseinsparung – so zum Beispiel Türschließsysteme. Türgriffe und Türgriffträger wurden früher zumeist aus Zink-Druckguss hergestellt. Mit optimierten Kunststofflösungen werden heute pro Fahrzeug bis zu 7 kg Gewicht eingespart. Die Türschließsysteme sind damit nicht nur erheblich leichter, sondern weisen auch weniger Verschleiß- und Korrosionserscheinungen auf.

Auch im Motorraum lässt sich Kunststoff sinnvoll einsetzen. Beispielsweise beim Gehäuse eines Kupplungsnehmerzylinders: Ursprünglich wurde dieses aus Aluminium produziert, da das Gehäuse hohen Temperaturen und starken Belastungen standhalten muss. Moderne Hochleistungskunststoffe erfüllen diese Anforderungen jedoch vergleichbar gut wie Metalllösungen und sind darüber hinaus beinahe nach Belieben formbar. So konnten die alten Aluminiumgehäuse durch Kunststofflösungen ersetzt werden. Das Ergebnis: kostengünstigere Produktion und eine Gewichtsersparnis von 25 %.

Ein besonderer Fall des Metallersatzes sind wärmeleitfähige Kunststoffe. Diese kombinieren eine leichte Verarbeitung mit den wärmeleitfähigen Eigenschaften von Metallen. Von Natur aus weisen Kunststoffe eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Durch die Zugabe von geeigneten Füllstoffen kann diese jedoch um mehr als das Hundertfache gesteigert werden. Ihren Einsatz finden die optimierten Werkstoffe beispielsweise in Kühlkörpern für Elektronikkomponenten, Scheinwerfern oder auch beheizten oder gekühlten Cupholdern.

Beim Einsatz wärmeleitfähiger Kunststoffe lohnt sich ein Blick auf das Gesamtsystem, da die Wärmeleitfähigkeit der eingesetzten Metalle zumeist nicht ausgereizt werden kann. Maßgeschneiderte Kunststofflösungen ermöglichen eine Anpassung der Materialeigenschaften auf die tatsächlichen Umgebungsbedingungen und erfüllen das optimale Eigenschaftsprofil aus geringem Gewicht, niedrigen Kosten und passender Wärmeleitfähigkeit. Barlog zeigt an einem Modell eines Kühlkörpers, wie wärmeleitfähige Kunststoffe das Bauteilgewicht um 25 % reduzieren und trotzdem die Ansprüche erfüllen können.

Bionik beschäftigt sich mit dem Übertragen von Phänomenen der Natur auf die Technik. Die Experten der Anwendungsentwicklung der Barlog Gruppe nutzen die Methoden und Erkenntnisse der Bionik, um neue Lösungen für die Anforderungen der Industrie zu entwickeln. Wendet man die Grundlagen der Wachstumsgesetze der Natur auf die Optimierung von Bauteilkonstruktionen mittels Finite-Elemente-Analyse (FE-Analyse) an, erhält man gleichmäßig belastete Strukturen bei minimalem Materialeinsatz.

Barlog zeigt als Beispiel ein Modell des Gehäuses einer Heckklappenverriegelung. Durch Einsatz eines hochverstärkten Kunststoffs –statt des vorher verwendeten Zink-Druckguss – wurde eine Gewichtseinsparung von über 40 % erzielt. Doch nicht nur das: Die mechanische Optimierung des Kunststoffteils wurde mit Methoden der Bionik durchgeführt, die eine Verformung unter Last um 90 % gegenüber dem Original-Design reduzieren. Da Verbesserungen nach dem Vorbild der Bionik zunächst keine Rücksicht auf die Herstellbarkeit im Spritzgussverfahren nehmen können, ist nach jeder Optimierungsschleife das Zusammenspiel zwischen Konstrukteuren und Spritzgießern entscheidend. Dadurch wird das gewünschte Ergebnis in eine kunststoffgerechte Konstruktion übertragen.

Bei der Entwicklung von leistungsfähigen Leichtbauprodukten ist deutlich mehr Fachwissen gefragt als bei konventionellen Kunststoff- oder Metallkonstruktionen. Um an die Grenzen der Leistungsfähigkeit zu gehen ist daher die Zusammenarbeit mit erfahrenen Kunststoffexperten unerlässlich. Das Ergebnis sind erhebliche Kosten- und Gewichtseinsparungen bei gleichbleibender oder sogar höherer Stabilität und Korrosionsfestigkeit. Dazu kommt eine fast grenzenlose Design- und Gestaltungsfreiheit, – egal ob es sich um tragende Strukturen, Funktionsteile oder Komponenten in Motorraum, Fahrwerk, Exterieur oder Interieur handelt.

mg