Anteil der Kunststoffe im Automobil wächst

Der Kunststoffanteil im Automobil liegt heute bei etwa 15 Prozent, soll aber in den nächsten fünf Jahren auf 20 Prozent gesteigert werden. Welche Fahrzeugbereiche tragen wesentlich zu diesem Wachstum bei?

Bender: Bezogen auf die nächsten fünf Jahre lassen sich nur die Projekte nennen, die heute in den Entwicklungsabteilungen der OEMs und ihrer Zulieferer bereits relativ weit fortgeschritten sind. Dazu gehören Möglichkeiten im Bereich der Karosserie sowie motornahe Teile in den Bereichen Ansaugung, Ölversorgung, Antriebsstrang und Abgas. Beispiele für Innovationen, die zurzeit in Serie gehen oder seit kurzem in Serie sind, betreffen Energie absorbierende Elemente im Bereich Frontend, die in Zusammenhang mit verbessertem Fußgängerschutz stehen, und Saugmodule, die immer mehr Funktionalitäten integrieren und dadurch separate Metallkomponenten eliminieren, wie zum Beispiel die neue Generation der Schalt-Saugrohre. Gleiches gilt für hoch integrierte Ventildeckel mit Ölabscheider, Blow-By-Gas-Management und andere. Neu sind zum Beispiel komplette Kunststoff-Ölwannen sowie Fixierungen aus Kunststoff für die ,heiße Seite‘ von Abgasanlagen.

Welche Entwicklungen auf Werkstoffseite werden dabei Treiber für den wachsenden Einsatz sein?

Bender: Ein Grund für die weiter fortschreitende Substitution von Metallen durch Kunststoffe liegt in der Innova- tionskraft der Konstrukteure, die heute das Leistungspotenzial dieser Werkstoffe viel besser ausschöpfen können als früher. Sie werden auch weiterhin Möglichkeiten finden, Metallkonstruktionen, die viele teure Fertigungsschritte erfordern, durch komplex aufgebaute aber höchst kosteneffizient herstellbare Kunststoffteile zu ersetzen. Darüber hinaus stellen ihnen die Rohstofferzeuger kontinuierlich Werkstoffe zur Verfügung, die bestehende Grenzen erweitern – die höheren und komplexeren mechanischen, thermischen und chemischen Beanspruchungen widerstehen, die verbesserte Oberflächeneigenschaften bieten, die sich durch bessere organoleptische Eigenschaften auszeichnen oder die vieles davon zugleich mitbringen. Ein Beispiel für solche Spezialwerkstoffe ist ein verschleißreduziertes, nahezu geruchsneutrales und dabei stahlelastisches Polyacetal (Delrin von Du Pont), das neue Anwendungsmöglichkeiten bei Antrieben im Kfz-Innenraum eröffnet.

Werden auch nachwachsende Rohstoffe eine Rolle spielen?

Bender: Im Streben nach mehr Umweltverträglichkeit werden Werkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe neue Perspektiven eröffnen. Du Pont ist bei der Entwicklung solcher Polymere schon weit fortgeschritten. Sorona EP zum Beispiel verbindet gute Steifigkeits- und Festigkeitswerte mit sehr guten Oberflächeneigenschaften, geringerem Verzug und guter Dimensionsstabilität. Dies macht es zu einem attraktiven Material für Anwendungen wie Kfz-Teile und Komponenten, elektrische und elektronische Systeme sowie Industrie- und Konsumartikel. In seinen Anwendungs- und Verarbeitungseigenschaften ähnelt das neue Material dem Hochleistungs-PBT (Polybutylenterephthalat). Sorona EP Thermoplastische Polymere enthalten (gewichtsbezogen) zwischen 20 % und 37 % Materialien auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Anwendungen wird das Material in Faserform für Auskleidungen und Teppiche, ebenso aber auch für spritzgegossene Innenraumteile und in der Elektrik finden.

Wie wird sich der Einsatz von Kunststoffen in der Verteilung Interieur/ Exterieur entwickeln?

Bender: Kunststoffanwendungen haben bereits eine hohe Anwendungsbreite im Innenraum erreicht. Anders liegt die Situation bei Karosserie, Boden und Antriebsstrang. Hier besteht weiter ein großes Potenzial. Dem entsprechend werden letztere Sektoren stärker wachsen und sich auch die Verteilung zugunsten des Exterieurs verschieben.

Im Motorbereich stoßen Kunststoffe heute noch an Grenzen, die temperaturbedingt sind. Welche Entwicklungen sehen Sie, die heutige Grenzen nach oben verlagern werden?

Bender: Die Grenzen sind heute näher gerückt als sie je waren, denn die Temperaturen im Motorraum sind in den letzten Jahren auf Grund aerodynamischer Maßnahmen, größerer Enge, höherer Motorleistungen und durch emissionsmindernde Technologien kontinuierlich gestiegen. Mit hochtemperaturbeständigen Thermoplasten konnten die Rohstofferzeuger diesem Trend folgen, so dass auch heute ausreichende Sicherheitsreserven bestehen. Ein Beispiel sind die teilaromatischen Polyamide wie Zytel HTN, dessen Temperaturbeständigkeit in der Spitze um bis zu 50 °C höher liegt als bei einem Standard PA 66.

Steht auch hier die Gewichtsreduzierung im Vordergrund oder kommen Produktionsverfahren zum Einsatz, die deutlich Kosten reduzieren?

Bender: Bisher standen Kostengesichtspunkte in ihrer Bedeutung über oder zumindest gleichwertig neben Gewichtsaspekten. Das wird sich in dem Maße in Richtung Gewichtsreduzierung verschieben, in dem Umweltgesichtspunkte an Bedeutung gewinnen. Weniger Gewicht heißt weniger Verbrauch und damit weniger Emissionen. Es ist die Aufgabe der Automobilindustrie, hier zusätzliche Anreize zu schaffen, die es lohnend machen, ,leicht‘ zu konstruieren. Davon unabhängig bleibt Kostenreduzierung immer ein wichtiges Thema. Und da behalten die Kunststoffbauteile mit ihrer hohen funktionalen Integrationsdichte deutliche Vorteile gegenüber allen anderen Varianten.

Zunehmend ist die Rede von Hybridbauteilen. Was muss man darunter verstehen?

Bender: Hybridbauteile integrieren unterschiedliche Werkstoffe in einer einzigen Struktur. Der herkömmliche Weg ist, ein steifes, hochfestes Metallgerippe mit Kunststoff zu umspritzen, und so Festigkeit mit Funktionalität (Form, Oberfläche, …) zu verbinden. Andere Möglichkeiten bieten beispielsweise Kohlefaser/Kunststoff-Verbunde.

Du Pont hatte vor der K 2007 den Sprung in eine neue Werkstoffklasse angekündigt. Was kennzeichnet diese neuen Werkstoffe?

Bender: Du Pont geht bei seiner Auslegung des Begriffs Hybrid den umgekehrten Weg. Diesen Weg weist die klassische technische Mechanik: Die Effizienz einer hochfesten Schicht innerhalb einer Struktur steigt mit ihrem Abstand von der neutralen Faser. Den schlechtesten Wirkungsgrad hat also ein Metallgerüst, das eben genau im Bereich der neutralen Faser in den Kunststoff eingebettet ist. Je weiter das Metall zur Bauteiloberfläche wandert, desto besser für das Biege- oder Torsions-Widerstandsmoment. Optimal ist eine Metall-Außenlage auf einem Kunststoffkern. Folgt man diesem Prinzip, kann man die Metall-Außenhaut sehr dünn machen und dennoch eine hohe versteifende, verfestigende Wirkung erreichen.

Und wie bewerkstelligen Sie das?

Bender: Indem wir die mechanischen Eigenschaften der Metallhaut erhöhen. Das erreichen wir durch das Aufbringen einer nanokristallinen Metallschicht, deren mechanische Eigenschaften um Größenordnungen über denen herkömmlicher, grobkristalliner Metalle liegen. Diese Kombination – eine dünne Schicht aus nanokristallinem Metall auf einem Hochleistungsthermoplasten – haben wir mit unseren neuen „Metafuse“ Nanometall-Kunststoff-Hybriden realisiert. Was dies bewirkt, lässt sich sehr anschaulich demonstrieren: ein Tischtennisball wird von einem 20-kg-Gewicht gnadenlos zerquetscht. Ein mit der Metafuse-Technologie präparierter Tischtennisball widersteht dieser Last ohne Probleme.

Welche Vorteile bietet dieser neue Werkstoff und wo liegen seine Haupteinsatzgebiete?

Bender: Die Vorteile liegen auf der Hand: Wir erreichen höchste Festigkeit und Steifigkeit bei sehr geringem Gewicht. Dazu kommt die Universalität des Verfahrens, das auch das Beschichten an schwer zugänglichen Stellen, wie Hinterschneidungen, ermöglicht und damit ideal zur Gestaltungsfreiheit der Thermoplaste passt. Haupteinsatzgebiete sind alle Anwendungen, die Steifigkeit und Festigkeit erfordern, dabei aber leicht sein sollen. Erste Anwendungen sind realisiert, das Potenzial ist noch nicht annähernd bekannt.

Fotograf: Frank Herrmann

Du Pont;

Telefon: 0 61 72/87- 12 97;

E-Mail: Horst-Ulrich.Reimer@dupont.com

Das Interview führte Dr.-Ing. Rolf Langbein, freier Mitarbeiter der AutomobilKONSTRUKTION