Fortschrittlich entwickelte polymere Verbundwerkstoffe in der Automobilindustrie

Die Automobilindustrie ist ein komplexer Industriezweig, der den Maschinenbau, die elektrotechnische und chemische Produktion  und selbstverständlich auch die Kunststoff- und Gummiherstellung beeinflusst. Die Anforderungen der Automobilindustrie haben sich in letzter Zeit recht deutlich verändert. Die wichtigsten Faktoren, die heute die Fahrzeugentwicklung beeinflussen, sind die Kosten, der resultierende Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen. Dabei wurden Verbrauch und Emissionen noch vor einigen Jahren kaum berücksichtigt.

Gegenwärtig  werden Metallteile im Automobil in großem Umfang durch Kunststoffe ersetzt. Die Entwicklung neuer Materialien oder die Verbesserung bestehender Materialien für die Automobilindustrie wird durch Faktoren wie Design, Leistung, Kraftstoffverbrauch, Korrosionsbeständigkeit, niedrige Betriebskosten, strengere Umweltvorschriften, Aufprallsicherheit und Ähnliches vorangetrieben. Diese Faktoren zwingen die Automobilhersteller, neue Materialien einzusetzen, die eine höhere Festigkeit im Verhältnis zu ihrem Gewicht beziehungsweise eine bessere Kombination mechanischer Eigenschaften aufweisen. Kunststoffteile kommen immer häufiger an Stellen zum Einsatz, an denen dies noch vor wenigen Jahren undenkbar gewesen wäre.

Werkstoffe für die Automobilherstellung

Für die Herstellung eines Automobils werden verschiedene Arten von Konstruktionswerkstoffen verwendet. Stähle und Gusseisen werden zur Herstellung der wichtigsten Baugruppen von Automobilen eingesetzt. Kupfer wird in elektrischen Installationen und in Legierungen verwendet. Blei findet sich ebenso wie Antimon in Akkumulatoren. Bei der Oberflächenbehandlung von Blechen wird Zink eingesetzt, und verzinktes Blech wird für die Herstellung der Karosserie verwendet. Bei den Stählen kommen Baustähle, hoch- oder niedriglegierte Stähle sowie hochfeste Stähle zum Einsatz.

Stahlhersteller beobachten schon seit längerer Zeit, dass sie im Wettbewerb mit Aluminium und anderen neuen Werkstoffen wie beispielsweise Magnesiumlegierungen oder Kunststoffen stehen. Um im Wettbewerb erfolgreich zu sein, müssen neue Stähle leichter, fester und stabiler sein. Einer der Konstruktionswerkstoffe, der diese Anforderungen in Zukunft erfüllen könnte, sind TWIP-Stähle. Der neue Trend im Automobilbau, den wir in den letzten Jahren beobachten, ist auch durch den Einsatz beschichteter Karosseriebleche mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit gekennzeichnet. Dies ist das Ergebnis der Bemühungen führender Automobilhersteller, das 10/5-Kriterium zu erfüllen, nach dem über einen Zeitraum von 10 Jahren Durchrostung verhindert und innerhalb von 5 Jahren kosmetische Korrosion am Fahrzeug vermieden werden muss. Verzinkte Bleche werden in der Automobilindustrie vor allem für Außenhautteile und für Teile verwendet, die starken Witterungseinflüssen ausgesetzt sind.

Der Vormarsch der Polymere

Kunststoffe und polymere Verbundwerkstoffe kommen in Automobilen zunehmend zum Einsatz.  Sie umfassen eine große Vielfalt unterschiedlicher Funktionswerkstoffe, die ein breites Spektrum erwünschter Eigenschaften aufweisen. Sie sind  fest und  leicht, beständig gegen Chemikalien und raue Umgebungsbedingungen und hervorragende thermische und elektrische Isolatoren. Sie können transparent oder undurchsichtig, weich, elastisch oder fest sein und nahezu jede Form und Größe aufweisen. Sie sind temperaturbeständig, korrosionsbeständig und recycelbar. Kunststoffe sind im Vergleich zu Stählen etwa siebenmal und im Vergleich zu Kupfer und seinen Legierungen mehr als neunmal leichter. Diese Vorteile haben Kunststoffe zusammen mit ihrer Wirtschaftlichkeit  zum bevorzugten Werkstoff für ein breites Spektrum kommerzieller Anwendungen gemacht.

Wenn wir einem Harz oder Kunststoff eine Verstärkung in Form von Fasern hinzufügen, die eine hohe Steifigkeit, Festigkeit und Temperaturstabilität aufweisen, erhalten wir eine völlig neue, einzigartige Werkstoffgruppe, die die mechanischen Eigenschaften der Verstärkung synergetisch mit der einfachen Verarbeitbarkeit von Polymeren verbindet. Diese Werkstoffgruppe wird als faserverstärkte polymere Verbundwerkstoffe oder Faserverbundwerkstoffe mit Polymermatrix bezeichnet, und diese finden im Automobilbau immer breitere Anwendung.

Polymere Verbundwerkstoffe bieten gegenüber metallischen und keramischen Verbundwerkstoffen zahlreiche Vorteile. Zu den wichtigsten gehören eine hohe spezifische Festigkeit, eine vergleichsweise einfache Herstellung und Verarbeitung, Korrosionsbeständigkeit, bessere dynamische Eigenschaften, gute Dämpfungseigenschaften, eine hohe Formstabilität und die Möglichkeit, komplexe Bauteile in einem einzigen Arbeitsgang herzustellen oder sie aus insgesamt weniger Einzelteilen zusammenzusetzen (Integralbauweise). Die hohe spezifische Festigkeit war der Hauptgrund dafür, dass verstärkte Kunststoffe für Anwendungen geeignet sind, die Stoßbelastungen standhalten müssen. Abb. 1 zeigt die prozentuale Verteilung des Einsatzes der einzelnen Kunststoffarten im Automobilbau. Der Einsatz von Kunststoffen beim Bau des Smart ist in Abb. 2 dargestellt.

Abb.2 Karosserieteile des Smart aus Kunststoff

Polymerverbundwerkstoffe in den Autos  der Zukunft

Autos aus nichtmetallischen Werkstoffen sind keine Neuheit. Karosserieteile aus Kunststoff hatte beispielsweise schon vor vielen Jahren der Renault Espace, heute gehören Kunststoffkotflügel bei Autos zum Standard. Der Fiat Tipo hatte in den achtziger Jahren des 20. Jahrhunderts ebenfalls einen Kofferraumdeckel aus Kunststoff. Der Automobilhersteller Ford baut seit 1991 Blattfedern aus Kunststoff in seine Transporter ein, Kunststoffquerblattfedern hatte bereits der Sportwagen Chevrolet Corvette aus dem Jahr 1984.

In diesem Teil des Beitrags werden Materialien beschrieben, die Automobilhersteller beim Fahrzeugbau eher als Visionen für den künftigen Materialeinsatz vorstellen:

• Biofibre,
• Verbundwerkstoff,  der elektrische Energie erzeugt,
• Buckypaper,
• selbstheilender Kunststoff,
• Naturfasern,
• Hightech-Gewebe für die Fahrzeugkarosserie.

Der Werkstoff Biofibre

Die Herstellung von Autos im Labor, auf eine völlig andere Weise als bisher, präsentiert der Automobilhersteller Mercedes-Benz. Das von ihm hergestellte Auto sollte eher gezüchtet als in einer Fabrik gefertigt werden. Die Inspiration bezieht der Automobilhersteller direkt aus der Natur, denn das Auto ist vollständig in das Ökosystem integriert. Das Auto wird im Mercedes-Benz-Werk im kalifornischen Carlsbad gezeigt (Abb. 3). Die Entwicklungsvision dieses Konzerns ist der neue, wachsende Werkstoff Biofibre. Er soll fester als Stahl und dabei leichter als Metall sein. Dadurch würde das Auto in seiner endgültigen Form 394 kg wiegen.  Das Fahrzeug wäre vollständig biologisch abbaubar. Für die Karosserie- und Innenraumteile würden zwei Samen genügen, weitere vier für die Räder, die gezüchtet würden. Ebenso könnte das Auto mithilfe eines integrierten genetischen Codes wachsen. Als Kraftstoff würde „BioNectar 4534“ verwendet, der keinerlei Emissionen erzeugen würde.

Abb. 3 Automobil von Mercedes - Benz aus dem Werkstoff Biofibre

Verbundwerkstoff, der elektrische Energie erzeugt

Derzeit rücken Hybridfahrzeuge, die elektrische Energie nutzen, in den Vordergrund. Ihr größtes Problem ist die Batterielaufzeit. Soll die Batterie eine längere Laufzeit haben,  wird sie gleich etwas schwerer oder beansprucht Platz im Fahrzeug. Der Prototyp eines Verbundwerkstoffs, der elektrische Energie erzeugt, besteht aus Kohlenstofffasern und Polymerharz (Abb. 4). Gegenüber herkömmlichen Batterien bietet er eine höhere Speicherkapazität für elektrische Energie und eine höhere Geschwindigkeit beim Laden beziehungsweise Befüllen. Bei diesem Prozess ist die Degradation gering. Der Werkstoff ist leicht und fest und erfüllt beim Einsatz in der Fahrzeugkarosserie alle Anforderungen.

Das Prinzip der Energieerzeugung besteht darin, dass die gesamte Fahrzeugkarosserie aus einem festen Verbundwerkstoff gefertigt wäre, der elektrische Energie freisetzt. Diese würde in einer Batterie gespeichert oder das Fahrzeug direkt antreiben. Dieser Verbundwerkstoff würde ebenso sämtliche Elektronik mit elektrischer Energie versorgen, sodass dafür keine Batterie mehr erforderlich wäre.

Abb.4 Verbundwerkstoff, der elektrische Energie erzeugt

Bei der Weiterentwicklung dieses Verbundwerkstoffs wird der Schwerpunkt auf der Erhöhung der Kapazität zur Energieerzeugung liegen. Dies wird durch den Einsatz von Nanoröhren möglich sein. Diese werden auf der Oberfläche der Kohlenstofffasern gezüchtet und vergrößern dadurch die Oberfläche, um die Speicherkapazität zu erhöhen.

Der Werkstoff Buckypaper

Der Werkstoff Buckypaper ist ein Papier, das 500-mal fester und 10-mal leichter als Stahl ist. Er besteht aus Kohlenstoffnanoröhren und besitzt zahlreiche unglaubliche physikalische Eigenschaften. Die Röhren haben die Form von Oxidmolekülen und sind 50 000-mal dünner als ein menschliches Haar (Abb.5). Der Werkstoff ist sehr elastisch, leicht und fest, leitet elektrischen Strom gut und streut Licht schnell.

Abb. 5 Kohlenstoffnanoröhren im Werkstoff Buckypaper

Bislang wird Buckypaper nur in sehr geringen Mengen eingesetzt, da seine Herstellung kostspielig ist und es sich nur schwer in größeren Mengen herstellen lässt.

Die Verfahren zur Verbesserung und zur Steigerung der Herstellbarkeit beruhen auf dem Einsatz von:

• Magneten zur Verbesserung der Ausrichtung der Nanoröhren und
• der Strukturierung der Nanoröhrenoberfläche zur Erhöhung der Haftkraft – Abb. 6.
  
  

Selbstheilendes Material

Ein neues Material – als selbstheilender Kunststoff bezeichnet – soll sich nach einer Beschädigung durch Lichteinwirkung selbst reparieren. Dieses Material besitzt die Eigenschaft, Schäden an seiner Struktur zu beheben. Die wasserbasierten Copolymere, auf denen der Kunststoff basiert, können dank ihres speziellen Molekülgitters Beschädigungen und entstandene Defekte wiederherstellen bzw. schließen. Gegenüber anderen Polymeren ist dieser Kunststoff weniger umweltschädlich. Neben der Selbstheilung besitzt der Kunststoff auch die praktische Eigenschaft des sogenannten „Blutens“ . Wird er beschädigt, färbt er sich an der beschädigten Stelle rot ( Abb. 7). Dadurch weist er auf die Beschädigung und eine mögliche frühzeitige Fehlerbehebung hin. Darüber hinaus repariert sich der Kunststoff nicht nur einmal, sondern mehrmals. Damit der Kunststoff mit der Selbstheilung beginnt, genügt das Vorhandensein von Licht in verschiedenen Formen – Sonnenlicht, Glühlampenlicht usw.

Abb. 7 Ablauf der Selbstheilung des Materials

Dieser Kunststoff könnte auch in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Bei einer Beschädigung beispielsweise von Kunststoffstoßfängern müsste man weder eine Werkstatt aufsuchen noch einen neuen Stoßfänger kaufen, was auch der Umwelt zugutekommt. Ein auf diese Weise beschädigter Stoßfänger ließe sich schnell und einfach beispielsweise in der Garage bei eingeschaltetem Licht reparieren. Eine weitere Einsatzmöglichkeit wäre die Luftfahrtindustrie. Beschädigte Rumpfbereiche würden sich selbst zu erkennen geben, und je nach Schwere der Beschädigung würde über einen vollständigen Austausch des Bauteils oder die Selbstheilung entschieden. Die Herstellung dieses Materials befindet sich im Forschungsstadium und ist sehr teuer.

Naturfasern

Weltweite Forschungsergebnisse zeigen, dass auch Naturfasern als Füllstoff für Verbundwerkstoffe dienen können, beispielsweise aus Hanf, Bambus, Kokos, Flachs, Jute, Bananenpflanzen sowie aus Ziegen- und Schafwolle. Die Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus Naturfasern ist in Abb. 8 dargestellt.

Abb. 8 Herstellungsverfahren für einen Verbundwerkstoff aus Naturfasern

Untersuchungen haben nachgewiesen, dass natürliche Füllstoffe in Kunststoffteilen die Steifigkeit und Zähigkeit erhöhen und somit für Fahrzeugsäulen, Türfüllungen und andere Fahrzeugteile eingesetzt werden können. Im Gegensatz zu pflanzlichen Naturfasern beeinflussen tierische Fasern ( Schaf- und Ziegenhaar oder Seide ) die Dehnbarkeit von Kunststoffteilen. Auf diese Weise eingesetzte natürliche Bambusfüllstoffe sind an dem in Abb. 9 dargestellten Fahrzeugkonzept zu sehen.

Abb. 9 Fahrzeug Rinspeed Bambo mit Kunststoffkarosserie / Füllstoff – Bambusfaser/

Zu den Automobilherstellern, die den Einsatz recycelter und nachwachsender natürlicher Rohstoffe steigern wollen, gehört auch Ford. Die Entwickler des Unternehmens wollen Kokosfasern in verschiedene Kunststoffarten einarbeiten, um die für deren Herstellung benötigte Erdölmenge zu reduzieren. Kunststoffe mit Kokosfasern sollen leichter und fester sein und möglicherweise auch feuerbeständig. Da Kokosfasern schwer entflammbar sind, ist dies insbesondere unter Sicherheitsaspekten ein Vorteil für ihren Einsatz. Aus ästhetischer Sicht möchte der Automobilhersteller die Sichtbarkeit der langen Kokosfasern im Kunststoff nutzen. Dies würde dem Fahrzeuginnenraum ein natürlicheres Design verleihen. Bei der Herstellung würden Kokosabfälle anfallen, die anschließend beispielsweise bei der Herstellung von Ablageschubladen, Ablagefächern, Türverkleidungen oder als Dämpfungsmaterial verwendet würden.

Neue verstärkte Kunststoffe werden auf Basis von Nanocellulose entwickelt, die aus Stängeln oder Blättern von Pflanzen oder Bäumen gewonnen werden kann. Nanocellulosefasern verbinden den Kunststoff hervorragend, sind leichter, beständiger gegen Chemikalien und Hitze  und weniger umweltschädlich. Sie sind um 30% leichter und 4x fester als bisher bekannte Kunststoffe, ihre Herstellung ist jedoch auch heute noch teuer. Dieses Argument wird für die weitere Entwicklung dieser Kunststoffe ausschlaggebend sein. Schon in naher Zukunft könnten sie für Fahrzeugstoßfänger, Instrumententafeln und andere Teile der Fahrzeugkarosserie eingesetzt werden.

Hightech-Gewebe

Karosserieteile aus Blech oder Aluminium spielen für das Fahrzeugkonzept namens Gina keine wesentliche Rolle. Die Karosserie dieses Fahrzeugs ist mit einem Hightech-Gewebe (polyurethanbeschichtetes Spandex) bespannt, das alle Karosserieteile wie ausgestellte Kotflügel, Heckspoiler usw. abdeckt. Der Heckflügel zur Erzeugung von Abtrieb fährt nur bei hohen Geschwindigkeiten aus, bei niedrigeren Geschwindigkeiten ist er dagegen nicht zu sehen, da er unter dem Gewebe verborgen ist (Abb. 10).

Abb. 10 Freilegen von Karosseriebereichen am Fahrzeug Gina

Das Einschalten der Frontscheinwerfer erfolgt durch das Zurückziehen des Gewebes an der jeweiligen Stelle. Gina hat keine Karosserieteile wie beispielsweise eine Motorhaube oder Türen. Alles ist mit einem einzigen Gewebe bedeckt, und der jeweilige Bereich wird nach Bedarf freigelegt. Wenn man in das Fahrzeug einsteigen möchte, legt sich das Gewebe im  Türbereich in Falten und die Türen öffnen sich in einem Winkel von 45°, wie in Abb. 11 zu sehen ist.

Abb. 11 Öffnen der Türen am Fahrzeug BMW Gina

Der Zugang zum Motor ist nicht durch eine Motorhaube geschützt. Wenn man das Scheibenwaschwasser oder das Öl wechseln möchte, genügt es,  den vorgesehenen Bereich „aufzuzippen“ und der Zugang ist frei (Abb. 12). Bei Überhitzung des Motors öffnen sich automatisch die Lufteinlassöffnungen, sodass dem Motor ausreichend kühle Luft zur Kühlung zur Verfügung steht.

Abb. 12 Öffnen der Motorhaube des Fahrzeugs BMW Gina

Jeder Karosseriebereich ist unter dem Hightech-  Gewebe verborgen und wird nur bei Bedarf freigelegt. Tatsächlich ist das Gewebe in vier Teile unterteilt, auch wenn es wie ein Ganzes wirkt. Das Gewebe wurde auf seine Beständigkeit gegen Starkregen und Frost getestet. Die unter dem Gewebe verborgene Stahlkonstruktion basiert auf dem Modell BMW Z4 und ist mit Carbon verstärkt. Derzeit findet das Gewebe praktische Anwendung bei Cabrioverdecken.