Kunststoff und Kautschuk für Leichtbau

Ziel der Anwendung von Kunststoffen und Kautschuken im Leichtbau ist eine maximale Gewichtseinsparung bei einzelnen Komponenten bzw. Bauteilen durch konstruktive, werkstoff- oder fertigungstechnische Mittel. Hierbei bieten Kunststoffe und Kautschuke nicht nur durch ihre geringe Dichte gegenüber metallischen und keramischen Werkstoffen großes Leichtbaupotential (werkstofftechnisches Mittel) sondern besitzen auch eine große Flexibilität bei der Verarbeitung und der Bauteilgestaltung (konstruktive und fertigungstechnische Mittel).

Diese Leichtbaukonzepte finden ihre Hauptanwendung in der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt. Durch den Leichtbau lässt sich nicht nur bei der Herstellung Material einsparen sondern auch bei der Nutzung der Transportmittel. Durch das verringerte Gewicht wird auch eine geringere Antriebsleitung benötigt was neben der Materialeinsparung zu einem verringerten Kraftstoffverbrauch führt und somit neben den Materialien auch Kosten eingespart werden können.

Neben der Anwendung im Transportsektor zeigen sich auch große Leichtbaupotentiale von Kunststoffen und Kautschuken bei Sport- und Freizeitartikeln sowie der Verpackungsindustrie und dem Bauwesen. Während bei Sport- und Freizeitartikeln vor allem kompakte Kunststoffe und Kautschuke verwendet werden, eignen sich geschäumte Kunststoffe aufgrund ihrer guten Energieabsorption und Isoliereigenschaften sowie der zusätzlichen Gewichtseinsparung für die Verpackungsindustrie und das Bauwesen.

Die einfachste Strategie des Leichtbaus ist der Stoffleichtbau. Hierbei werden die ursprünglich eingesetzten Materialien durch Werkstoffe mit höheren spezifischen Eigenschaften ersetzt. Somit kann eine Verringerung des Gewichts durch kleinere Wandstärken oder ein Material mit niedrigerer Dichte realisiert werden. Dies kann beispielsweise im Automobilbau sowie der Luft- und Raumfahrt durch die Substitution von metallischen Werkstoffen durch Kunststoffe geschehen. Anwendung finden Kunststoffe im Automobilbau vor allem in der Kraftstoffanlage, dem Motorraum sowie den Sicherheits- und Elektroniksystemen. Neben konventionellen Kunststoffen wie Polyamid (z. B. Ölwannenmodul) zeigen vor allem Faserverstärkte Kunststoffe großes Leichtbaupotenzial in der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt. Diese Materialklasse wird gesondert in einem Artikel behandelt.

Eine weitere Strategie des Leichtbaus stellt der Formleichtbau oder konstruktive Leichtbau dar. Dies beinhaltet die konstruktive Anpassung des Bauteils und der Materialverteilung im Bauteil an die aufgegebenen Lasten. So werden die Bereiche hoher Belastung verstärkt während in den Bereichen geringer Belastung möglichst kleine Wandstärken angestrebt werden. Hierbei bieten Kunststoffe durch ihre große Flexibilität bei der Bauteilgestaltung (komplexe dreidimensionale Strukturen realisierbar) ein großes Potential in allen Anwendungsbereichen. Um diese Art des Leichtbaus realisieren zu können sind jedoch genaue Analysen der einzelnen Elemente und des gesamten Bauteils von großer Bedeutung. Werden hierbei zu große Sicherheiten eingeplant bzw. sind nur ungenügende Informationen über die Materialien und das Materialverhalten bei den zu erwartenden Lasten bekannt, so besteht die Gefahr das Bauteil zu überdimensionieren und das Leichtbaupotenzial nicht auszuschöpfen.

Während die beiden vorher angesprochenen Prinzipien des Leichtbaus vor allem einzelne Elemente oder Baugruppen betrachten wird bei dem Prinzip des Systemleichtbaus das gesamte System betrachtet. Durch die Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil lässt sich somit das Gesamtgewicht des Systems verringern, während das Gewicht einzelner Elemente oder Baugruppen nicht reduziert oder sogar erhöht werden kann. Bei der Umsetzung dieses Prinzips in der Praxis bieten Kunststoffe und Kautschuke über ihre flexible Verarbeitbarkeit und Bauteilgestaltung großes Potential. So ermöglichen Kunststoffe eine form- oder stoffschlüssige Verbindung innerhalb eines Bauteils durch das Verarbeitungsverfahren (Mehrkomponentenspritzguss, Co-Extrusion) wodurch keine Nieten oder Klebeverbindungen benötigt werden. Mit Hilfe dieser Prozesse und des Einsatzes unterschiedlicher Kunststoffe und Kautschuke lassen sich auch unterschiedlichste Funktionen in einer für den Einsatz maßgeschneiderten Baugruppe realisieren (siehe Pendelstütze für den Porsche Panamera).

Die Integration mehrerer Funktionen in einem Bauteil kann neben der Gewichtssenkung des gesamten Systems durch das Wegfallen nicht mehr benötigter einzelner Bauelemente auch zu einer Kostenersparnis führen. Durch die Verkürzung der Prozesskette bzw. dem Einsparen von Fertigungsschritten und dem verringerten Materialbedarf werden die Herstellungskosten und die Materialkosten des Gesamtsystems verringert. Dies stellt neben den bereits behandelten Arten des Leichtbaus ein weiteres Prinzip, den Sparleichtbau, dar. Durch die Möglichkeit der flexiblen Bauteilgestaltung, den vielfältigen Verarbeitungsmöglichkeiten sowie der weiteren Materialminimierung durch die Schaumherstellung bieten Kunststoffe und Kautschuke auch in diesem Bereich große Potentiale für innovative Anwendungen.

Kosten fallen jedoch nicht nur bei der Herstellung von Produkten sondern meist auch bei deren Anwendung oder Betrieb an. Meist ist ein sehr hoher Grad des Leichtbaus nur mit erhöhten Produktionskosten zu realisieren, da teure Materialien und erhöhte Fertigungskosten entstehen. Diese können jedoch wiederum durch verringerte Betriebskosten gerechtfertigt sein. In der Luft- und Raumfahrt werden durch den Leichtbau die Fertigungs- und Materialkosten erhöht, jedoch der Treibstoffverbrauch auf Dauer erniedrigt oder die Zuladungskapazität gesteigert, so können die Gesamtkosten des Produkts über die Zeit drastisch abgesenkt werden. Bei diesem Konzept des Leichtbaus wird von Öko- bzw. Zweckleichtbau gesprochen.

Auf Grund ihres Eigenschaftsprofils, der niedrigen Dichte, der Schäumbarkeit, den vielfältigen Verarbeitungsmöglichkeiten und der flexiblen Bauteilgestaltung haben Kunststoffe und Kautschuke das Potenzial bei allen angesprochenen Leichtbauprinzipien angewendet zu werden und in Zukunft innovative Lösungen zu bieten.



Innovationen auf dem Gebiet:

1) Maschinenbau

IMC und Schäumen mit IMC
Compoundieren (Aufbereiten) und Verarbeiten in einem Arbeitsschritt

Faserverstärkte Kunststoffe
Ersatz von Aluminium-Guss-Konstruktion durch Kohlenstofffaser-Cliphebel in RTM-Leichtbauweise

2) Verpackung, Distribution

Elastisches Verpackungsmaterial
E-Por® von BASF SE: neuartiger Partikelschaum mit höher Schlagzähigkeit.

Bioabbaubarer Kunststoff für Spezialverpackungen
BASF bietet einen neuen bioabbaubaren Kunststoff an. Er heißt Ecovio FS und ergänzt das bestehende Ecovio-Sortiment. Die BASF hat den neuen Kunststoff für zwei ganz spezielle Anwendungen optimiert: Für Papierbeschichtung und für die Herstellung sogenannter Schrumpffolien, die zur einfachen Ummantelung von Verpackungsgut dienen. Daher heißen die ersten beiden neuen Kunststofftypen Ecovio FS Paper und Ecovio FS Shrink Film. Ecovio FS besteht aus dem ebenfalls neuen, nun biobasierten Ecoflex FS (einem bioabbaubaren Polyester der BASF) und PLA (Polymilchsäure), die aus Maisstärke gewonnen wird. Durch den Einsatz des neuen Ecoflex FS beträgt der Anteil an biobasiertem Material bei Ecovio FS Shrink Film 66%, bei Ecovio FS Paper sogar 75%.

3) Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt

Strukturschaum auf Basis von Epoxidharzen
Strukturschaum Terocore® von Henkel AG & Co. KGaA: Epoxidharz-Schaumstoffe zur Gewichtseinspaarung im Automobilbau, sowie um die Karosserie an kritischen Stellen zu verstärken und damit die Unfallsicherheit zu erhöhen, indem er die Aufprallenergie aufnimmt.

Kunststoff Ölwannenmodul
Zytel® Polyamid von DuPont: für erstes in Serien-Pkw eingesetztes Kunststoff Ölwannenmodul.

Pendelstütze für den Porsche Panamera
Bauteil von ContiTech aus BASF-Polyamid: Hochleistungsverbundbauteil aus einem hochfesten Polyamid der Ultramid® CR-Familie und einer funktionsoptimierten Naturkautschukmischung.

Sportliches Oberflächenmaterial für Autositze
Sport-Esteem® von Benecke-Kaliko AG: Das Material fühlt sich an wie Neopren und sieht aus wie Nappaleder. Für die nötige Schmutzresistenz sorgt eine geschlossene Oberfläche, die durch eine neuartige Rezeptur, einen einzigartigen Herstellungsprozess und eine innovative Decklackkombination erreicht wird.

Sportwagen Artega GT: Leichtbau mit Kunststoff-Karosserie von Elastogran
Der neue Sportwagen Artega GT verfügt als weltweit erstes Serienfahrzeug über eine komplett aus Polyurethan (PUR) gefertigte Karosserie. Entwickelt wurde das luftige Chassis von der Delbrücker Sportwagenschmiede Artega in Kooperation mit der BASF-Tochtergesellschaft Elastogran.

Interieur - Leichtbauweise bei Cockpits am Beispiel der Studie "Light Attitude"
Der Automobilzulieferer Faurecia hat mit seiner Studie "Light Attitude" den aktuellen Stand der Leichtbauweise vereint und in die Zukunft projiziert. Dieser Beitrag beschreibt, welche Gewichtseinsparung im Cockpit noch möglich ist und mit welchen Mitteln sie erreicht werden kann.


4) Bau, Bauen, Wohnen

Wärmeschutz im Designerkleid Neopolen P 9335 mg
Eine neue und patentierte Variante des Schaumstoffs Neopolen P (EPP: expandiertes Polypropylen) bietet die BASF SE, Ludwigshafen, seit Kurzem für Geräte in der Heizungs-, Lüftungs- und Sanitärtechnik an.

Verbesserung der Isolationseigenschaften
Entwicklung von Nanoschäumen

5) Elektronik, Elektrotechnik

Polyurethane schützen empfindliche Elektronik
Das Polyurethan (PUR)-Systemhaus BaySystems in Otterup, Dänemark, und die Isotherm AG im schweizerischen Uetendorf haben gemeinsam ein wirtschaftliches Verfahren zur Produktion von Gehäusen und dem Schutz empfindlicher Elektronik-Bauteile entwickelt.
Das Verfahren basiert auf Polyurethan-Systemen aus den Sortimenten Baydur E bzw. Bayflex E, die mittels der Reaction-Injection-Molding (RIM)-Technologie in nur einem Prozessschritt verarbeitet werden.

Flexibler Kunststoff für Wechselstrom-Leistungskabel
Mit dem flammwidrigen flexiblen Kunststoff Noryl bietet SABIC Innovative Plastics einen nichthalogenierten Werkstoffe an, der zur Verwendung für Wechselstrom-Leistungskabel den strengen Sicherheitsnormen 62 TPE 90 ºC und 105 ºC von Underwriters Laboratories (UL) entspricht. In drei spezialisierten Typen für verschiedene Konfigurationen von Wechselstrom-Leistungskabeln verfügbar, bietet der neue Kunststoff hohe flammwidrige Eigenschaften, die global angewandten Vorschriften entsprechen. Zusätzlich zeichnet sich der Kunststoff laut Hersteller durch seine hervorragende Flexibilität und eine qualitativ hochwertige Oberflächenbeschaffenheit aus. SABIC Innovative Plastics arbeitet gegenwärtig mit Kunden für den Erhalt der EU-Zertifizierung nach der Norm VDE HD 21.14 zusammen.

Thermoplastische Leiterplatte
Geschäumte Leiterplatte aus HT-Thermoplasten


6) Medizintechnik, Feinmechanik, Optik

Funktions-Compounds aus Hochleistungskunststoffen
In hoch integrierten Bauteilen und Systemen – etwa in OP Containern - kommen heute immer öfter innovative Compounds in erster Linie auf Basis hochtemperaturbeständiger amorpher und teilkristalliner Kunststoffe wie PEEK, PPS, PPSU und PEI zum Einsatz. Durch spezielle Additive geben Entwicklungsingenieure von Lehmann & Voss solchen Compounds ein besseres Reibungs- und Verschleißverhalten, außerdem lässt sich die elektrische und thermische Leitfähigkeit erhöhen. Gezielt einzustellen sind daneben die Farbe, die Fertigungsgenauigkeit, die Barriereeigenschaften, die Wärmedehnung sowie die antimikrobiellen Eigenschaften. Haupteinsatzbereich dieser Luvocom Funktions-Compounds ist die Substitution von Metalllösungen – in erster Linie aus Design-, Gewichts- und Kostengründen. Auch die Miniaturisierung von Bauteilen und Komponenten spielt eine große Rolle. Lehmann & Voss unterstützt Hersteller solcher Bauteile mit Beratung und Service. Durch den gezielten Einsatz von FDA konformen bzw. biokompatiblen Rohstoffen ist es möglich, die für die Bauteilzulassung in der Humanmedizin relevanten Zertifikate und Ergebnisse von Materialprüfungen zum Beispiel nach ISO 10993 auch chargenweise zu liefern.


7) Information und Kommunikation (ITK)

Energieeffiziente Technologie Innovationen (Mikroelektronik)
Das CoolSensornet-Projekt arbeitet an einer kleinen Revolution in der Luftfahrttechnik und Luftfahrt-Sicherheit. Sensornetzwerke können zur Überwachung und Lebensdauerbewertung von tragenden Konstruktionselementen eingesetzt werden, etwa bei Flugzeugen, deren Hocheffiziente organische Leuchtdioden mit Novaled-Technologie im Test High Efficiency OLEDs with Novaled Technology in Testlab Microelectronics 87 Flügel regelmäßig auf Materialermuüdung überprüft werden müssen. CoolSensornet widmet sich deshalb der Entwicklung von Sensorknoten mit integrierter akustischer Piezosensorik, die schon bei der Herstellung eines Flugzeugs in die Leichtbau-Flügel aus Kohlefaser-Verbundstoff oder in andere Tragstrukturen fest eingebettet werden können.


8) Sport, Freizeit

Hochleistungskajak aus Polypropylen
Tegris™ von Milliken (aus USA): Bändchengarn aus einem stark verstreckten PP-Kern zwischen zwei niedriger schmelzenden PP- Deckschichten. Gute Schlagzähigkeit in Verbindung mit der hohen Steifigkeit. Geeignet für Wasser- und Motorsportanwendungen sowie für Schutzausrüstungen.


9) Photovoltaik

Organische Solarzellen
Auf eine Folie gedruckte organische Solarzelle auf Polymerbasis

Organische Photovoltaik:

Solarstrom aus hauchdünnen Farb- und Kunststoff-Folien

Organische Photovoltaik wandelt Sonnenenergie in Strom um
Als Organische Photovoltaik werden Solarzellen auf Basis organischer Halbleitermaterialien bezeichnet, welche das heute verwendete Silizium zukünftig ersetzen können.


10) Landwirtschaft

Luftkollektor aus Kunststoff-Gewebe für die Landwirtschaft
Nutzung von Sonnenenergie z. B. für die Trocknung von Heu und Getreide

11) Energietechnik

Verklebung von Rotorblättern
Macroplast® von Henkel AG & Co. KGaA: Polyurethan-Klebstoff für die Verklebung von Rotorblättern. Klebstoffe auf Polyurethanbasis reagieren sehr viel schneller als die bisher eingesetzten Epoxidharze und ermöglichen auf diese Weise eine Prozessbeschleunigung,

Rahmen aus Polyurethan umschäumten Stahl
BBG GmbH & Co. KG: Umschäumen und Integrieren aller Befestigungselemente für die Montage sowie aller Verkabelungen und Dioden. Erhöhung der Energieausbeute durch kantenlose Polyurethankonstruktion, weil Schmutz auf der Moduloberfläche keinen Halt findet.

Kunststoff und Kautschuk für Leichtbau - Vita Prof. Dr.-Ing. Volker Altstädt