Barlog: Leichtbau im Automobil durch funktionalisierte Kunststoffe

In der Automobilindustrie gelten hohe Anforderungen an die verwendeten Bauteile. Neben hoher Hitzebeständigkeit im Motorraum und Verschleißfestigkeit spielen insbesondere Kosten- und Gewichtseinsparungen eine entscheidende Rolle. Kunststoffe können diese Ansprüche erfüllen und sind darüber hinaus korrosionsbeständig und flexibel in der Designgestaltung.

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 oftmals keine Rolle. Aufgrund der starken Wettbewerbssituation sowie hohen Anforderungen zur Gewichtsreduktion (insbesondere durch verringerte CO2-Emissionen), Elektromobilität und dem Bestreben, auch bei Transport und Logistik jedes überflüssige Kilogramm einzusparen, 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 Metallen auf und sparen dazu noch Gewicht und Kosten ein. Anwendung finden die Kunststoffteile beispielsweise in Fahrwerkskomponenten, Bauteilen im Turbolader oder ganzen Teilen in der Karosserie oder im Interieur. Die Potentiale gelten jedoch als längst nicht ausgeschöpft. Anhand der Themen Kunststoff als Metallersatz und Bionik zeigt Barlog mit passenden Anwendungsbeispielen Einsatzmöglichkeiten und Nutzen des Werkstoffs auf.

Kunststoff als Metallersatz: leicht, widerstandsfähig und kostengünstig
Innovative Leichtbaulösungen erfordern oftmals, 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 können.

Bild 1: Kunststoffschraube - (Bilder: Barlog).

Ein Anwendungsbeispiel für leichten Metallersatz ist die Direktverschraubung von Kunststoffteilen mittels Kunststoffschrauben (Bild 1). Die Verbindungselemente aus dem thermoplastischen Konstruktionswerkstoff Grivory HTV-5H1 mit 50 Prozent Glasfaseranteil bieten eine Gewichtseinsparung im Vergleich zu Stahl von bis zu 85 Prozent bei gleichbleibender Verbindungssicherheit.

Bild 2: Türschließsystem

Auch Komponenten aus dem Exterieur bieten viele Ansatzpunkte zur Gewichtseinsparung – so zum Beispiel Türschließsysteme (Bild 2). Türgriffe und Türgriffträger wurden früher zumeist aus Zink-Druckguss hergestellt. Mit optimierten Kunststofflösungen können heute pro Fahrzeug bis zu sieben Kilogramm Gewicht eingespart werden. Die Türschließsysteme sind damit nicht nur erheblich leichter, sondern weisen auch weniger Verschleiß- und Korrosionserscheinungen auf.

Bild 3: Kupplungsnehmerzylinder

Doch auch im Motorraum lässt sich Kunststoff sinnvoll einsetzen. Beispielsweise beim Gehäuse eines Kupplungsnehmerzylinders (Bild 3): 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 Prozent.

Bild 4: Modell eines Kühlkörpers

Ein besonderer Fall des „leichten“ 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. Das dargestellte Beispiel (Bild 4) zeigt am Modell eines Kühlkörpers, wie wärmeleitfähige Kunststoffe das Bauteilgewicht um 25 Prozent reduzieren und trotzdem die Ansprüche erfüllen.

Bionik: Was wir von der Natur für den Leichtbau lernen 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 maßgeschneiderte 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.

Bild 5: Gehäuse im Original-Design und nach Bionik-Optimierung (FE-Modelle)

Im dargestellten Beispiel handelt es sich um ein Modell des Gehäuses einer Heckklappenverriegelung (Bild 5). Durch Einsatz eines hochverstärkten Kunststoffs – statt des vorher verwendeten Zink-Druckguss – wurde eine Gewichtseinsparung von über 40 Prozent erzielt. Die mechanische Optimierung des Kunststoffteils wurde mit Methoden der Bionik durchgeführt, die eine Verformung unter Last um 90 Prozent 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 kann das gewünschte Ergebnis in eine kunststoffgerechte Konstruktion übertragen werden.

Investitionen in passende Kunststofflösungen sparen Gewicht und Geld
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 können erhebliche Kosten- und Gewichtseinsparungen bei gleichbleibender oder sogar höherer Stabilität und Korrosionsfestigkeit sein. 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.

Weitere Informationen: www.barlog.de

PIAE - Plastics in Automotive Engineering, 14.-15. März 2018, Mannheim

Barlog plastics GmbH + Bahsys GmbH, Overath

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