Kunststoffe in der Automobilindustrie: Dieses Potenzial bergen Nanocomposites

Hat die Automobilindustrie bei der Entwicklung von Kunststoffen das Ende der Fahnenstange bereits erreicht? Nein – wir sind noch mittendrin. Mit Nanostrukturen hat die Materialforschung ein neues Level erreicht. Dank völlig neuer Eigenschaften können Kunststoffe so den aktuellen Anforderungen der Automobilindustrie gerecht werden. Erfahren Sie in diesem Beitrag mehr zu den innovativen Konzepten und Möglichkeiten, die sich jetzt bieten.

Nanocomposites mit Wolfram sind Teil der Lösung

Die wesentlichen Merkmale des chemischen Elements Wolfram sind Sinnbilder für seine Stärken: besondere Härte, hoher Schmelz- und Siedepunkt, extreme mechanische Festigkeit.

Als funktionales Additiv, z. B. als Masterbatch auf Wolframnanopartikelbasis, beeinflussen seine Eigenschaften Herstellungsprozesse und sorgen parallel für die Verbesserung der Werkstoffverbünde und Hochleistungs-Kunststoffe in vielerlei Hinsicht. Compounds und verstärkte Polymere sind die Alternativen für Stahlprodukte, die in stark beanspruchten Bereichen gleichwertig und sicher funktionieren.

Die Liste ließe sich natürlich weiter herunterbrechen. Jedoch soll in diesem Kontext noch der Aspekt der Kreislaufwirtschaft betrachtet werden. Wolfram wird als eher seltenes Element aus Erzen gewonnen. Grundsätzlich ist bekannt, dass die in der Natur vorkommenden Ressourcen begrenzt sind, und daher schonend mit ihnen umzugehen ist. Ein zweiter Punkt: Die Wiedergewinnung von Metallen, zum Beispiel aus Schrott, erfordert in der Regel weniger Einsatz an Energie als dessen „frischer“ Abbau. Für Wolfram ist es gelungen, mit einem speziellen Verfahren mehr als zufriedenstellende Erträge zu erzielen. Das sogenannte Bioleaching ermöglicht die umweltschonende Extraktion gebundener Stoffe mithilfe von Mikroorganismen.

Der Druck auf die Automobilbranche steigt

Um unsere Welt zu retten, muss die Menschheit unter anderem auf fossile Brennstoffe verzichten und den Abbau von wertvollen Rohstoffen auf ein sinnvolles Maß reduzieren. Die Automobilindustrie ist eine der Branchen, die diesen Weg mit zukunftsfähigen Produkten und Lösungen ebnen muss. E-Mobility wird seit Längerem forciert, aber auch in diesem Segment ist noch deutlich Luft nach oben. Hersteller und Entwickler arbeiten an Konzepten, die definitiv anders sind als die Fortbewegungsmittel, die wir bisher kennen.

Bereits heute gehören dazu verschiedene Typen von E-Personenkraftwagen. Ebenso angedacht sind Flugzeuge mit Elektroantrieb, ultraleichte Elektro-Bikes aus Carbon oder Wohnmobile, deren Stromversorgung über Solarmodule auf den Fahrzeugdach unterstützt wird. Alle schon bekannten und neuen Ansätze haben eines gemeinsam: Es kommt auf jedes Kilogramm Gewicht an, das bei der Konstruktion von Verkehrs- und Transportmitteln eingespart werden kann. Auf optimierte Kunststoffe wird in der Automobilindustrie deshalb schon lange ein genaues Auge geworfen.

Des Weiteren sind die Veränderungen der Mobilität im Allgemeinen zu berücksichtigen. Das autonome Fahren findet bereits im Öffentlichen Nahverkehr statt, diverse Fahrzeuge befinden sich in der Testphase. Es wird ebenfalls darum gehen, die verschiedenen Beförderungsmittel in ein digitales gesamthaftes Mobilitätskonzept einzubinden. Ein Fazit des ADAC Mobilitätsindex sagt aus: Der Verkehr in Deutschland ist zwischen 2015 und 2019 nicht nachhaltiger geworden!

Die Devise: Die Automobilindustrie braucht mehr nachhaltige Leichtbau-Kunststoffe!

Die Alarmglocken läuten also auf mehreren Ebenen. Fest steht: Mit der Weiterentwicklung bestehender Konzepte ist es nicht möglich, die die gesteckten Ziele zu erreichen. Hingegen hat das Credo „geringeres Gewicht für geringeren Energieverbrauch“ nichts von seiner Brisanz verloren. Gerade für die E-Mobilität und dem damit einhergehenden Einsatz schwerer Batterieeinheiten ist das von großer Bedeutung. Doch lassen sich die wichtigen Kriterien Leichtgewicht, Sicherheit, Nachhaltigkeit und Umweltschutz tatsächlich miteinander vereinen?

Leichtbauwerkstoffe tragen bereits einen wesentlichen Beitrag daran, dass der Kraftstoffverbrauch reduziert oder die Reichweite von E-Fahrzeugen erhöht werden kann. Neuartige Materialsysteme, unter anderem in Verbindung mit Nanotechnologien, sind wichtige Faktoren, die von Materialwissenschaftlern intensiviert und vorangetrieben werden. Kunststoff-Verbundmaterialien sowie Werkstoffkombinationen mit Anteilen aus nachwachsenden Rohstoffen tragen – an den geeigneten Positionen im Fahrzeug eingesetzt – zur Realisierung der Bestrebungen bei.

Neben der Ressourcenschonung spielt es eine zunehmende Rolle, inwieweit für ein Material oder einen Werkstoffverbund die Option des Recyclings besteht. Hierin liegt wohl auch das zunehmende Interesse an dem Einsatz von Pflanzenfasern für Verbundwerkstoffe begründet. Ein Beispiel, das sich vermutlich durchsetzen wird, sind Verbünde aus Bastfasern für Türinnenverkleidungen bei Pkws.

Composites und Kunststoffe bilden die Pfeiler der modernen Automobilindustrie

Den Spitzenplatz der Kunststoffe in der Automobilindustrie belegen die glasfaserverstärkten Composites mit erhöhter Energieaufnahme. Sie sorgen für mehr Sicherheit bei extremen Belastungen, zum Beispiel bei einem Crash. In Bezug auf den Schutz der Verkehrsteilnehmer und Verkehrsteilnehmerinnen leisten Kompositwerkstoffe schon seit Längerem gleiches oder mehr als Metalle und Legierungen.

Kunststoffverbünde und neue Materialien werden mit zunehmender Tendenz verbaut. Zu den Zielen, die auf diese Weise besser erreicht werden sollen, zählen:

• konstante, hohe Qualität,
• kosten- und energieeffiziente Herstellung,
• Wiederverwertung bzw. Zuführung in die Kreislaufwirtschaft.

Auf der Basis ihrer Zusammensetzung und unter Zugabe funktionaler Additive sind folgende Eigenschaften zu erreichen:

• hohe Kriechstromfestigkeit
• kontrolliertes Verhalten bei einer Kollision
• Dichtigkeit, Korrosionsschutz, etc.
• und „last but not least“ die Leichtbauweise.

Gerade im Segment der E-Mobility sind diese Punkte von allerhöchstem Interesse. Für thermisch belastete Bereiche, z. B. Batterieabdeckungen oder Batteriekästen, sind optimierte technische Kunststoffe gefragter denn je. Innovationen auf diesem Gebiet sind für die Etablierung moderner E-Autos und anderer Fortbewegungsmittel von noch größerer Relevanz als im konventionellen Fahrzeugbau.

Leichtbau plus mannigfaltige Funktionen und Eigenschaften

Die Kunst besteht darin, Werkstoffe zu kreieren, die den aktuellen und zukünftigen Anforderungen gerecht werden. Deshalb spielen Kunststoffe mit ihrer Variabilität hier eine ausschlaggebende Rolle. Ein weiteres Level wurde in der Materialforschung mit der Einbringung von Nanostrukturen in die Matrix erreicht. Seither liegt die Möglichkeit offen, Kunststoffen spezielle Merkmale zu verleihen, die mit den bis dato bekannten Füllstoffen und Additiven nicht zu erzielen waren.

Diese Portfolioerweiterung im Bereich der Hochleistungskunststoffe und technischen Kunststoffe lässt sich anhand einiger Beispiele veranschaulichen:

• Kunststoffbauteile mit Wärmeabfuhr, um vor Überhitzung zu schützen.
• Carbon-Faser-Verbünde mit gutem mechanischem Verhalten und gleichzeitig geringer Entflammbarkeit.
• Polymere, die hohen Brandschutzanforderungen genügen, oder schwer entflammbare Kunststoffe für Hochspannungsanwendungen,
• Elemente mit lichtstabiler Farbgebung in spannungsführenden Bereichen, z. B. farbliche Codierung von Steckverbindungen im Motorraum.

Im Laufe der Entwicklungsarbeit sind zahlreiche Alternativwerkstoffe für die Herstellung hoch beanspruchter Komponenten im Automobilbau entstanden. Konstruktionen, von denen man es zunächst nicht annahm, können heute adäquat aus Verbundwerkstoffen hergestellt werden. Als prominenter „Fall“ ist hier die Konstruktion der A-Säule des Porsche 911 Cabrio zu nennen.

Im Hinblick auf die E-Mobilität stehen Bauteile für Hochvoltbatterien und Komponenten rund um den Ladevorgang im Fokus. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Institut befassten sich unter anderem mit der Kosteneffizienz bei der Entwicklung eines Leichtbau-Batteriepacks aus Faser-Kunststoff-Verbunden.

Auch Entwicklungen aus anderen Bereichen in der Kunststofftechnik, wie die Verwendung funktioneller Wolframnanomaterialien für Filteranlagen, die durch verstärkende Eigenschaften zur Halbierung des Materialeinsatz führen, könnte auch für die Automobilindustrie getestet und genutzt werden.

Kunststoffe in der Automobilindustrie sind die Herzstücke der E-Mobilität

Der Verbrennungsmotor wird in modernen Fahrzeugkonzepten durch Elektromotoren und Akkus ersetzt. Es geht vorrangig darum, eine hohe Reichweite für das Fahrzeug zu erzielen, aber auch ein möglichst geringes Gewicht einzuhalten. Darüber hinaus steht die Anforderung an oberster Stelle, ein rasches Laden der Akkus zur Normalität werden zu lassen. Es ist hinlänglich bekannt, dass Lithium-Ionen-Batterien häufig Verwendung finden. F&E-Teams arbeiten außerdem daran, neue leistungsfähigere Alternativen zu finden, um höhere Energiedichten und damit höhere Reichweiten und Gewichtsreduzierung zu erzielen.

Neben zahlreichen anderen Ansätzen ist von Metall-Luft-Batterien die Rede. Es gilt, teure und schwer zugängliche Metalle bei der Herstellung von Energiespeichern möglichst zu ersetzen. Zudem sind in zunehmendem Maße die so wichtigen Recyclingkreisläufe zu berücksichtigen. Auch Verbraucher und Verbraucherinnen legen darauf immer mehr Wert. Beschichtungen und Bauteile auf der Basis von Nanotechnologie stehen für stärkere Batterien mit höherer Energiedichte, kürzere Ladezeiten und die Reduzierung der Kosten.

Die Herausforderung: Schutz vor Überhitzung

Wurden zunächst Metalle oder Legierungen, wie Kupfer oder Aluminium, als Kühlkörper eingesetzt, um Wärme abzuleiten, sind es inzwischen häufiger Polymere, die diese Aufgaben übernehmen. Moderne Kunststoffe können so ausgelegt werden, dass sie thermisch leitfähig sind – mit anderen Worten: dass sie für die nötige Wärmeabfuhr sorgen. Funktionale Additive, die beispielsweise aus einem duroplastischen Kunststoff und Wolfram-Nanopartikeln oder Bornitrid bestehen, werden dazu in die Polymermatrix eingebracht. In der Anwendungsform als sogenannte Masterbatches sind sie sofort gebrauchsfertig und ohne Einschränkungen für bestehende Prozesse anwendbar. Weitere vorteilhafte Effekte sind die Rationalisierung der Konstruktionen, flexiblere Gestaltungsmöglichkeiten und die Verringerung von Montageaufwänden.

Sicherheit geht vor – immer!

Die Stabilität und die Sicherheit von Fahrgastzellen bei Fahrzeugen sind sicherlich die vorrangigen Faktoren, bei der Entwicklung zukunftsweisender Lösungen für unsere Mobilität. Mit dem Wechsel zum Elektroantrieb hat die Sicherheit noch einen etwas anderen Blickwinkel bekommen. Denn von spannungsführenden Komponenten und der Hauptbatterie könnten neue Gefahren ausgehen.

Wobei: Brandschutzexperten stellen immer wieder fest, dass dies auf E-Autos bei Unfällen eher nicht zutrifft. Vielmehr hängt die sogenannte Brandintensität von den verbauten Materialien ab. Da Kunststoffe einen großen Anteil ausmachen, sind sie entsprechend auszulegen. Die Anwendung funktionaler Additive und weiterer Hilfsstoffe, die für Flammschutz, erhöhte thermische Stabilität, sowie die zweckoptimierte Auslegung von Bauteilen im Fahrzeuginneren, im Motorraum und der Karosserie sorgen, ist längst etabliert.

Darüber hinaus ist die Antriebsbatterie als Einheit selbstverständlich so gut wie möglich zu schützen. Dies wird durch den Aufbau einzelner Komponenten sowie die Fahrzeugkonstruktion insgesamt erreicht.

Funktionsgeladene Kunststoffe treiben den Fortschritt voran

Mit dem Konzept des autonomen Fahrens nehmen die Anforderungen an die Funktionalität und Qualität der Fahrzeuginnenräume noch einmal deutlich zu. Insassen werden sich mit ihrer unmittelbaren Umgebung befassen, anstatt auf den Verkehr und die Straße zu achten. Sensortechnologien sind gefordert und werden hier vermehrt zum Einsatz kommen. Neue Systeme mit innovativen, noch nicht dagewesenen Angeboten werden der Fortbewegung das futuristische Gesicht verleihen, das anhand mancher Studien bereits auf Automessen präsentiert wurde.

Polymere sind Teil dieser Metamorphose. Anspruchsvolle Leichtbaukonstruktionen für die Mobilität von morgen fügen sich aus technischen Kunststoffen und Hochleistungskunststoffe zusammen. Denn sie stehen wie kaum eine andere Werkstoffgruppe für die Reduzierung von Gewicht und die Einbringung neuer Funktionen. Design, Technik, Sicherheit, Güte sowie die Ansprüche an die Schonung der Umwelt und das Recycling lassen sich mithilfe perfektionierter Materialien in Einklang bringen. Funktionale Additive sind die Medien, um diesen Fortschritt signifikant voranzutreiben, und neue Materialien in der Automobilindustrie zu etablieren.

Sie haben Fragen? Unter diesem Link finden Sie alle Möglichkeiten, das Team von GS Bavaria zu kontaktieren.