Reine Kunststoff-Strukturbauteile im Automobilbau

Metallverstärkung überflüssig

von Udo Erbstößer

Polyamide mit hohen Glasfasergehalten bieten sich im Leichtbau von Fahrzeugen hinsichtlich Kosten, Gewicht und Performance in vielen Fällen als eine leistungsfähige Materialalternative zu Metallen, Sheet Molding Compounds (SMC) und carbonfaser-haltigen Duroplasten an. Das zeigt das Beispiel eines komplett aus hochverstärktem Polyamid 6 bestehenden Frontend-Trägers.

Das mit 60% Glasfasern hochverstärkte ­Durethan DP BKV 60 H2.0 EF von Lanxess zeichnet sich gegenüber Standardpolyamiden mit 30 oder 40% Glasfaserverstärkung durch eine gewichtspezifisch deutlich höhere Steifigkeit aus. Im konditionierten Zustand hat das Polyamid 6 bei Raumtemperatur einen E-Modul von 13,100MPa (ISO 527-1,-2). ­Wegen seiner hohen Steifigkeit und Festigkeit hat es inzwischen zahlreiche Anwendungen erobert, die bis dahin etwa Metallen oder SMC vorbehalten waren. Häufig wurden dabei deutliche Gewichtseinsparungen erzielt. Kürzlich gelang es mit dem Hightech-Material, einen PKW-Frontendträger rein als Kunststoffbauteil zu konstruieren (Abb. 1). Er kommt im neuen Skoda Octavia zum Einsatz und wurde von der Faurecia Kunststoffe Automobilsysteme GmbH, Ingolstadt, entwickelt. Das Besondere des Leichtbauteils ist, das auch sein bis zu den Kotflügelbänken reichender oberer Querverbund keine verstärkenden Metallbleche benötigt. Darin unterscheidet sich das Bauteil von den wenigen Vollkunststoff-Frontendträgern, die es bisher überhaupt gibt.

Einfache, ­wirtschaftliche Fertigung

Entwicklungsziel von Faurecia war, den Produktionsprozess für den Frontendträger zu vereinfachen. Es sollte ein reines Kunststoffteil verwirklicht werden, um mit nur einem Spritzgießwerkzeug fertigen zu können und ein aufwändiges Handling und Umformen von Blechen zu umgehen. Große Herausforderung war dabei, die hohen Anforderungen an die Steifigkeit zu erfüllen – u. a. im Bereich des Kühlerlagers und des Haubenschlosses, auf die sehr hohe Kräfte wirken. Besonders anspruchsvoll war die Auslegung des Querverbundes im Übergang zu den Kotflügelbänken. Für diesen Bereich, in den Aufnahmen für die Scheinwerfer und Haubenpuffer integriert sind, war nur ein sehr kleiner Bauraum vorhanden. Dank der extrem hohen Steifig­keit und Festigkeit des Hightech-Polyamids ­gelang es, diesen Bereich sehr filigran, aber dennoch hochbelastbar auszulegen, sodass die Aufnahmen für die Scheinwerfer und Haubenpuffer alle Anforderungen erfüllen.

Filigrane Konstruktion, ­deutliche Gewichtseinsparung

Wegen des hohen Glasfaseranteils hat das ­Polyamid eine hohe Dichte. Seine Steifigkeit, ­Festigkeit und auch hohe Schmelzefließfähigkeit erlauben es aber, sehr dünnwandig zu konstruieren. Beispielsweise konnten die Wanddicken des Frontendträgers in weniger belasteten Bereichen auf bis zu 1,8mm verringert werden. Trotz der höheren Dichte des Materials fällt das Bauteil daher leicht aus. Im Vergleich zu einem virtuell entwickelten Träger aus einem Polyamid 6 mit 30% Glasfasergehalt wiegt es rund 1,2kg bzw. 25% weniger.

Zahlreiche Funktionen ­integriert

Der Frontendträger ist per Spritzguss zusätzlich zu den Aufnahmen für die Scheinwerfer direkt auch mit einer Dekorabdeckung sowie mit Aufnahmen für den Kühler, das Schloss, den Diebstahlschutz und die Luftführung versehen. Diese Funktionsintegration spart separate Fertigungs- und Montageschritte ein, was sich günstig auf die Bauteilkosten auswirkt. Die Abdeckung konnte trotz des hohen Glasfasergehaltes des Polyamids mit einer feinen Narbung dekoriert werden, sodass sie auch etwas für das Auge bietet.

Ausblick – weitere Strukturbauteile ­rein aus Polyamid

Im Automobilbau könnten auch andere Strukturbauteile mit dem hochverstärkten Polyamid 6 als reine Kunststoffteile umgesetzt werden. Die Substitution von Metall würde dabei helfen, Gewicht einzusparen. Mögliche Anwendungen sind u. a. Träger der Batterie oder der Elektronikkom­ponenten von Elektro- und Hybridfahrzeugen.

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