Materialien im Auto: Leicht, hybrid, rezykliert

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Im Automobil sind moderne Werkstoffsystemen gefragt, um den Leichtbau in die Serie zu bringen. Und im Interieur geht der Trend zu Rezyklaten.

Neue Kunststofftechnologien und aktuelle Trends im Fahrzeugbau stehen vom 3. bis 4. April 2019 auf dem internationalen VDI-Kongress PIAE 2019 im Mittelpunkt. Von den rund 80 spannenden Expertenvorträgen seien hier vorab vier vorgestellt.

So bieten beispielsweise Mehrkomponentenbauweisen mit faserverstärkten Thermoplasten vielfältige Möglichkeiten zur Gewichtsreduktion bei hoher Fertigungseffizienz. Im Zuge der PIAE 2019 werden Jonas Beck, Leiter Forschung & Entwicklung Werkzeugbau bei Siegfried Hofmann, sowie Robert Kupfer, Leiter Verbindungstechniken am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden, über das Projekt „Fupro“ berichten.

Neue Prozesskette für Verbundwerkstoffe

Während die Verarbeitung von flächigen Verstärkungsstrukturen und fließfähigen Formmassen zum Beispiel als Organoblech- und Spritzgieß-Hybridstrukturen bereits an der Schwelle zur Serienanwendung steht, lassen sich geschlossene Hohlprofile mit kontinuierlichem Faserverlauf bisher nicht in thermoplastische Strukturen integrieren. Das Ziel des Projekts lautet daher, ein Baukastensystem, bestehend aus flächigen Grundstrukturen und Hohlprofilen aus Faser-Thermoplast-Verbundwerkstoffen bereitzustellen. Die einzelenen Bausteine werden prozesstechnische zu einer vollautomatisierten Gesamtanlage miteinander verknüpft. Dazu wird erstmals eine durchgängige Prozesskette – Hohlprofilherstellung, Preforming, Konsolidierung, Spritzgießen – im Anwendungsmaßstab aufgebaut und am Beispiel eines Gurt-Integralsitzes demonstriert.

Erste Resultate bei FVK-Hohlstrukturen

Die automatisierte Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Hohlstrukturen erfordert einen interdisziplinären Ansatz, der entsprechendes Expertenwissen aus Textiltechnik, Werkzeug- und Automatisierungstechnik sowie Prozesstechnologie einbindet. Entsprechend breit gesteckt ist der Kreis der beteiligten Fupro-Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft, vom Automobilhersteller über Tier-1-Zulieferer bis hin zum Ingenieurbüro. „Die Wirtschaftlichkeit der Lösung stand von Anfang an im Mittelpunkt des Projekts. Die Expertise der beteiligten Partner hat sich dabei perfekt miteinander ergänzt“, unterstreicht Jonas Beck.

Jonas Beck von der Firma Werkzeugbau Siegfried Hofmann erwartet „erste potenzielle Serienanwendungen mit thermoplastischen FVK-Hohlprofilen in etwa drei Jahren“. Foto: Hofmann

Die PIAE-Teilnehmer können auf erste Demonstrationsresultate gespannt sein. „Bis zur Tagung wird die Prozessstrecke zur Demonstratorfertigung in Dresden aufgebaut sein und sich in Betrieb befinden“, kündigt Robert Kupfer an. Nach dem grundsätzlichen Beweis der Machbarkeit geht es im nächsten Schritt darum, die aktuelle Prozesszeit von rund 30 min auf unter 3 min bis zur Großserientauglichkeit zu verringern. Vom Gelingen sind die Projektpartner überzeugt und erwarten erste potenzielle Serienanwendungen bereits in etwa drei Jahren. „Konkrete Anfragen für Werkzeuge liegen heute bereits vor“, macht Beck deutlich. Dabei bilden Gewichtsreduktion und Prozesseffizienz nur zwei Vorteile. Gleichzeitig punkten die Hybridbauteile mit besonders hohen Tragfähigkeiten, ideal also für verschiedenste Anwendungsbereiche in der Automobilindustrie und Luftfahrt.

Prüfkörper sollen in Entwicklungsprojekten für Bauteile die Materialauswahl erleichtern, indem sie Untersuchungen zur Vorauswahl von Materialien oder Materialkombinationen ermöglichen. Dabei gilt: Je genauer ein Prüfkörper die späteren Belastungen des Materials im Bauteil abbilden kann, desto früher können Schwachstellen des Materials beziehungsweise der Konstruktion im Entwicklungsprozess erkannt werden. Neue Wege geht dabei ein erfolgreiches Projekt für hybride Prüfkörper, über das Christian Gundlach, TU Braunschweig, ebenfalls im Rahmen der PIAE 2019 berichten wird. Das grundsätzliche Problem: Existierende Prüfkörper sind lediglich in der Lage, die thermische Alterung eines Werkstoffs abzubilden. Gerade im Zuge des Leichtbaus und der fortschreitenden Hybridisierung von Bauteilen sowie bei bestehenden Baugruppen mit hybridem Materialaufbau tritt jedoch die thermomechanische Alterung von Werkstoffen über die Lebensdauer in den Vordergrund. „Bislang existierte kein Prüfkörper, der in der Lage ist, diese Form der Alterung effizient abzubilden. Doch ein neuartiger hybrider Prüfkörper soll in Zukunft statistisch abgesicherte Materialtests bereits in frühen Entwicklungsphasen bauteilunabhängig ermöglichen“, erklärt dazu Christian Gundlach. Als erstes praktisches Beispiel für ein Materialauswahlproblem dient die Auslegung des Rotorvergusses einer automobilen E‑Maschine, das bereits erfolgreich in der Praxis umgesetzt wurde.

Neue hybride Prüfkörper

Robert Kupfer vom ILK berichtet auf der PIAE über das Projekt Fupro: „Geschlossene Hohlprofile mit kontinuierlichem Faserverlauf ließen sich bisher nicht in thermoplastische Strukturen integrieren.“ Foto: ILK/TUD

Realisiert wurde der hybride Verbundprüfkörper aus zwei großen Teilen: einem Metalleinleger mit spezieller Form, der einfach in großer Stückzahl produzierbar ist, sowie als zweitem Bestandteil einem Vergusspolymer, das den Einleger nahezu vollständig umgibt. „Dabei soll nicht die komplette Maschine abgebildet werden, stattdessen geht es hier in der Screening-Methode darum, eine Materialvorauswahl vorzunehmen, um den weiteren Entwicklungsaufwand reduzieren zu können“, so Gundlach. Die Alterung der Prüfkörper findet dann mittels eines Thermoschockofens statt, indem eine beschleunigte Alterung aufgrund schneller Temperaturwechsel stattfindet. Weiterhin sind Alterungen mit verschiedenen Umgebungseinflüssen denkbar (zum Beispiel Öl oder hohe Luftfeuchtigkeit), die den realen Einsatz des Bauteils abbilden. Der Hybridprüfkörper ermöglicht es, mit wenigen Messungen bereits in der frühen Produktentwicklung eine umfassende Menge an Informationen zu erhalten und verschiedene Prüfmethoden gleichzeitig durchzuführen. Fragen bezüglich der Verarbeitbarkeit eines Materials können ebenso untersucht werden wie die Rissinitiierung und -ausbreitung oder die Haftung des Vergusses am Metalleinleger. Das erste Projekt ist laut Gundlach sehr erfolgreich verlaufen, die Resultate waren statistisch belastbar – im nächsten Schritt soll die Anwendung in weiteren praxisnahen Projekten des hybriden Leichtbaus eingesetzt werden.

Kehrseite beim Carsharing

Mehr und mehr Menschen machen von Carsharing-Diensten Gebrauch. Immer wieder am Tag nutzen verschiedene Personen ein einziges Fahrzeug. Auf Textilien, Lenkrad, Armaturenbrett oder Fußraum tummelt sich eine Vielzahl verschiedener Keime und Bakterien, die Auslöser von Krankheiten sein können. Multifunktional, nachhaltig und hygienisch kommen hier besondere Oberflächen aus Kunststoff zum Einsatz. Sie sind mit Biostabilisatoren und antimikrobiell wirksamen Additiven ausgestattet. Diese Wirkstoffe beziehungsweise Additive töten Viren, Bakterien oder Pilze und hemmen deren Wachstum.

Manfred Schneider, Chemischer Consultant bei Car I.T.A. in Kirkel, stellt in seinem Vortrag „Trends im Fahrzeuginnenraum“ auf der PIAE 2019 die antimikrobielle Ausstattung von Textilien und Dekormaterialien für Personentransport und Carsharing-Konzepte vor.

Recycling für den Automobilbau

Die Sitze im Konzeptauto von Volvo bestehen aus PET-Fasern, die aus gebrauchten Kunststoffflaschen gewonnen wurden. Foto: Volvo Cars

Viele Hersteller arbeiten aktuell an Lösungen, um verstärkt nachwachsende Rohstoffe zu nutzen oder noch konsequenter auf Wiederverwendung zu setzen. Volvo etwa plant, ab 2025 bei neuen Fahrzeugmodellen für die benötigten Kunststoffbauteile mindestens 25 % Recyclingmaterial zu nutzen.

Um die Machbarkeit dieses Ziels zu demonstrieren, hat der Automobilhersteller kürzlich eine spezielle Version des Plug-in-Hybrid-SUV XC60 T8 vorgestellt. Optisch vom bestehenden Modell nicht zu unterscheiden, bestehen die Kunststoffteile jedoch vielfach aus rezyklierten Materialien. So befindet sich etwa im Inneren des Projektfahrzeugs eine Tunnelkonsole aus nachwachsenden Fasern und Kunststoffen aus ausgemusterten Fischernetzen und Seeseilen. Auf dem Boden enthält der Teppich Fasern aus PET-Kunststoffflaschen und eine rezyklierte Baumwollmischung aus Restposten von Bekleidungsherstellern.

In den Sitzen werden ebenfalls PET-Fasern aus Kunststoffflaschen verwendet. Aus gebrauchten Autositzen alter Fahrzeuge wurde das schallabsorbierende Material unter der Motorhaube hergestellt. Im Rahmen des Fachkongresses PIAE wird Sandra Tostar (Volvo) das Projekt vorstellen.

Außerdem berichtet sie, wie weit der Hersteller bereits damit gekommen ist, die heute verwendeten Kunststoffkomponenten zu überprüfen und geeignete rezyklierte Kunststoffe weltweit zu finden. Denn klar ist auch: OEMs und Lieferanten haben gemeinsam noch einiges zu tun, um in Zukunft Recyclingmaterialien in der gewünschten Qualität und in der benötigten Menge bereitstellen zu können.

Sitze aus recycelten PET-Fasern: Sandra Tostar erläutert auf der PIAE, wie Volvo den Einsatz von Kunststoffrezyklaten deutlich erhöhen möchte. Foto: Volvo Cars

Nachhaltigkeit spielt in der Strategie des schwedischen Autobauers seit geraumer Zeit eine wesentliche Rolle. So verpflichtete sich das Unternehmen, bis Ende 2019 auf Einwegkunststoffe an allen Standorten sowie bei Events zu verzichten. Zudem kündigte das Unternehmen sein Ziel an, bis 2025 gut 50 % seines weltweiten Umsatzes mit vollelektrischen Autos zu erzielen. Operativ strebt der Hersteller bis 2025 eine klimaneutrale Fertigung an. Das Motorenwerk in Skövde/Schweden wurde beispielweise bereits als erste klimaneutrale Anlage zertifiziert.

PIAE in neuem Gewand

Der VDI-Kongress PIAE ist als Marktplatz für Kunststoff im Automobil seit über 40 Jahren etabliert. Im Jahr 2019 präsentiert sich die Veranstaltung vom 3. bis 4. April in Mannheim mit einem erweiterten Veranstaltungskonzept: Interaktive Programmpunkte und modernes Entertainment ergänzen den Kongress.

mg

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