Ticona: Signifikante Gewichts- und Kostenreduktion bei Pkws mittelfristig erreichbar durch technische Kunststoffe

Automobilbau: Gewicht und Kosten senken
Angesichts hoher Metallpreise nimmt der Einsatz leistungsstarker, technischer Kunststoffe im Automobilbau zu. Doch beim Metallersatz geht es um weit mehr als "nur" um die Kosten. Die Fahrzeugbauer zielen auf niedrigeres Gewicht und eine damit einhergehende Reduktion des Benzinverbrauchs und der CO2-Emissionen. Schon bis 2010 könnten Mittelklassewagen durch konsequenten Leichtbau etwa 300 kg abspecken, prognostizieren Experten.

"Kurzfristig sind durchschnittlich 50 kg Gewichtsreduktion pro Mittelklasseauto realisierbar", erklärte Roeland H. Polet, Vice President von Ticona (www.ticona.com), im Vorfeld der Ticona-Messepräsentation auf der Fakuma 2008. Aber das mittelfristige Ziel sei deutlich höher: "Wir gehen davon aus, dass allein durch den Einsatz von Kunststoffen anstelle von Metall bzw. durch entsprechende Composite- bzw. Hybridlösungen Pkws bald bis zu 300 kg weniger auf die Waage bringen." Ausreichend Potenzial bieten dafür etwa 900 kg Stahl- und Metallerzeugnisse, die in einem Mittelklassewagen heute im Durchschnitt verarbeitet sind. Polet rät, stets das gesamte System im Blick zu haben und vorab alle Anforderungen an mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften sowie Design-, Verarbeitungs-, Veredlungs- und Umweltaspekte exakt zu prüfen. Entsprechende Guidelines/Checklisten halten die Anwendungsentwickler von Ticona bereit. Ihr Ziel: Schon bei der Kundenberatung in der Planungsphase alles so zu konzeptionieren, dass später keine kosten- und zeitintensiven Korrekturen anfallen. Dazu verfügt das global ausgerichtete Unternehmen über verschiedene Anwendungsentwicklungszentren und weltweit einheitliche Produktspezifikationen.

CO2-Ausstoß zwingt zum Handeln
"Wir sind gut aufgestellt, um gemeinsam mit Kunden auch in Zeiten steigender Rohstoffpreise und strengerer Auflagen anspruchsvolle wie innovative technische und designorientierte Lösungen zu entwickeln", betont Sandra Beach Lin. Die Präsidentin von Ticona weiß zudem: "Auf Metalle im Automobilbau kann nicht verzichtet werden. Aber vor dem Hintergrund der Treibstoffpreise, des Fahrzeuggewichts und der CO2-Problematik besteht dringender Handlungsbedarf, wo immer möglich Alternativen zu entwickeln."

Der enge Zusammenhang zwischen Gewicht, Verbrauch und Emissionen ist mehr als deutlich: So erhöhte sich mit dem durchschnittlichen Flottengewicht der Hersteller von 2005 auf 2006 linear auch der Kohlendioxidausstoß. Zu diesem Ergebnis kam T&E (European Federation for Transport and Environment) in einer 2007 veröffentlichten Untersuchung. Im Umkehrschluss heißt das laut T&E: Mit jedem Prozent, das an Gewicht eingespart wird, geht der CO2-Ausstoß zurück. Als positives Paradebeispiel verweist das Unternehmen auf BMW und die PSA-Gruppe, die 2006 als einzige europäische Automobilhersteller das Flottengewicht senkten und gleichzeitig die Liste der Hersteller bzgl. der CO2-Reduktion anführten. Durch den Einsatz von Kunststoffen gegenüber alternativen Materialien könnte 97 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente pro Jahr eingespart werden. Das entspräche 30 Prozent des europäischen Beitrags zu den Kyoto-Zielen.

Umkehr der Gewichtsspirale zwingend
Fakt bleibt jedoch, in den vergangenen 15 Jahren wurden die Autos im Schnitt nicht leichter, sondern um etwa 30 Prozent schwerer. Wog der VW Golf bei seiner Einführung 1974 noch 800 kg, bringt es der Golf V auf 1.200 kg. Kunststoffe helfen beim Abspecken - ohne Einbußen bei den Sicherheits- oder Komfortfeatures, denen der Wagen zum wesentlichen Teil seine Pfunde verdankt.

Automobilbauer, TIERs, Verarbeiter, aber auch unterschiedlichste Institute und Verbände sowie Materialproduzenten haben sich des Problems angenommen. Sie arbeiten gemeinsam an Lösungen: Der Ersatz von Metallen durch Kunststoffe oder andere Leichtbaumaterialien lohnt sich, wenn die Gesamtkosten um ca. 15 Prozent gesenkt werden können. Das gelingt durch den verstärkten Einsatz von technischen Kunststoffen. Diese ermöglichen hohe Flexibilität beim Produktdesign, sind vielfältig einfärbbar und erlauben die problemlose Umsetzung komplexerer Bauteile mit weniger Einzelteilen.

Mit Kunststoffen rechnen
"Unterm Strich müssen Automobilbauer und OEMs kosteneffiziente Gesamtlösungen herbeiführen, indem sie Prozess- und Verfahrensschritte ebenso reduzieren wie das Gewicht des fertigen Bauteils bzw. Systems", so Polet. Ansatzpunkte mit sehr viel Potenzial bieten Struktur, Karosserie sowie Powertrain von Pkws - und damit verbunden der Ersatz von metallischen Werkstoffen durch technische Thermoplaste oder Faserverbundwerkstoffe/Composites bzw. Hybridverbunde mit Kunststoffen.

Zur Einsparung von bis zu 50 kg tragen beispielsweise unzählige Lösungen im Kleinen bei, darunter Kurbelwellenflanschdichtungen aus Fortron® PPS. "Durch Ersatz von Metall, genauer Aluminium, ergibt sich hier eine 32-prozentige Gewichtsreduktion von 250 auf 170 g", rechnet Polet vor. "Und bei Ladeluftrohren für Turbolader lässt sich das Gewicht um 43 Prozent senken. Statt der 870 g Aluminium wiegt das gleiche Teil aus PPS nur 500 g." Ein größerer Sprung lässt sich bei Strukturbauteilen erzielen, etwa Unterbodenverkleidungen, Armaturentafeln, Dach-, Frontend- oder Türmodule. "Wenn Leichtbaustrukturen konsequenter umgesetzt werden, nähern wir uns ganz rasch dem 150-kg-Ziel", ist der Vize-Präsident von Ticona überzeugt.

Innovative Leichtbaustrukturen: Lernen vom Flugzeugbau
Maßgeschneiderte Lösungen ermöglicht die Kombination mehrerer Materialien, da die Vorzüge der einen Werkstoffgruppe mit denen der anderen verknüpft werden. Für große Bauteile sind etwa Faser-Kunststoff-Verbunde ideal. Die Leistungskraft und Widerstandsfähigkeit solcher Composites zum Beispiel auf der Grundlage von Fortron PPS haben Airbus oder Boeing längst überzeugt, sie in großen Profilteilen oder kleinen, stark gewichtsreduzierten Innenraumanwendungen einzusetzen. In knapp 1.000 Teilen des A380 spart der Hersteller durch langfaserverstärkte Faserverbundwerkstoffe mit einer PPS-Matrix mitunter bis zu 50 Prozent an Gewicht. Ein Paradebeispiel dafür ist eine im Rücksitz integrierte Lendenstütze aus PPS-Composites, die gerade einmal 150 g wiegt. Eine vergleichbare Stütze aus Aluminium hätte fast das doppelte Gewicht (280 g). Bei insgesamt 555 Sitzen ergibt sich so eine Gesamtersparnis von immerhin 72 kg.

Auch im Automobilbau finden Composites heute schon Verwendung. So nutzt Volkswagen beim Golf Plus den langfaserverstärkten Thermoplasten Celstran®+ (LFT) für die großzügig dimensionierte Armaturentafel. Celstran+ bietet höchste Qualität in puncto Steifigkeit und Zähigkeit. Gleichzeitig werden wichtige Komponenten, darunter der Beifahrerairbag, vollständig in die Strukturbauteile integriert und durch den Wegfall von Metall sowie der Einsparung einzelner Arbeitschritte Gewicht und Fertigungskosten reduziert.

Celstran wird von der Automobilindustrie außerdem zu Steuergeräteboxen, Frontends und Sitzschalen verarbeitet. Auch in Türmodulen ersetzt Celstran PP bereits Stahl und führt zu Gewichtsreduktion von etwa 8 kg pro Fahrzeug. Dadurch sinkt der Treibstoffverbrauch um 4 Prozent.

Vorgefertigt: die neue Leichtigkeit
Aufgrund des steigenden Bedarfs an leichten und zugleich sehr belastbaren Materialien hat Ticona jetzt thermoplastische Composites aus dem langfaserverstärkten Celstran im Portfolio. Die Composites umfassen eine Reihe von endlosfaserverstärkten Thermoplasten, deren Verarbeitung und Eigenschaften auf spezielle Kundenanforderungen angepasst werden können. Sie wiegen zudem weniger als Duroplaste und Leichtmetalle. Außerdem lassen sie sich rationeller und umweltfreundlicher verarbeiten. Damit eröffnen Celstran thermoplastische Composites, die sich sehr gut für die Umsetzung von Leichtbaustrukturen im Energie-, Flugzeug-, Waggon- und eben dem Automobilbau eignen, neue Gewichts- und Gestaltungsdimensionen. Darüber hinaus überzeugt der Materialverbund vor allem durch sein mechanisches Eigenschaftsprofil und Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien. Auf Basis unterschiedlicher thermoplastischer Matrixmaterialien (PP, POM, TPU etc.) sowie der Einbettung diverser Fasern (Glas, Karbon) und der Zugabe von Additiven werden die jeweils geforderten Eigenschaften maßgeschneidert. Im Vergleich zu Kupfer, Stahl oder auch Aluminium und Magnesium haben technische Kunststoffe die niedrigste Dichte. Das geringe Gewicht trägt zur verbesserten Energieeffizienz und damit zu weniger CO2-Ausstoß bei.

Trend zu hochwertiger Optik kosteneffizient möglich
Ein neuer Spezialtyp des Polyacetalcopolymers Hostaform® POM erlaubt die einfache wie kostengünstige Fertigung metallisch anmutender Türgriffe für den Fahrzeuginnenraum. Eingesetzt werden die farbechten, kratz- und sehr verschleißfesten Bauteile unter anderem im neuen Honda Civic. Die hochwertige Metalloptik als gewünschtes Finish bringt POM gleich mit - ohne zusätzliche Lackierung oder weitere Arbeitsschritte. Bislang waren bei Kunststoffanwendungen dafür aufwendige Vor- und Nacharbeiten (Lackierung, Beschichtung, Vakuum-Metallisierung) nötig. Durch Einsatz des innovativen metallischen Hostaform-Typs haben die Griffe unmittelbar nach der Entnahme aus der Spritzgießform alle erwünschten Eigenschaften. Zusätzliche Arbeitsschritte sowie damit verbundene Handlings-, Transport- oder Qualitätssicherungskosten sind nicht nötig. Auch eine spürbare Entlastung der Umwelt wird erreicht, da in einigen Fällen der Umgang mit Werkstoffen der Gefahrgutklasse, der bei bisherigen Lösungen an der Tagesordnung war, wegfällt.

Zusammenfassung
Im Bereich Fahrzeugentwicklung ist heute kosteneffizienter Leichtbau und die damit einhergehende Reduktion des Benzinverbrauchs sowie der CO2-Emissionen ein wichtiger Erfolgsfaktor. Technische Thermoplaste von Ticona, insbesondere die neuen Celstran Composites helfen der Automobilindustrie, die Kosten- und Gewichtsreduktionsziele zu erreichen.

Celstran® und Hostaform® sind eingetragene Marken von Ticona.
Fortron® ist eine eingetragene Marke von Fortron Industries.

Bild: Türmodule, die aus Celstran® PP anstatt aus Stahl gefertigt werden, bringen pro Fahrzeug etwa 8 kg weniger Gewicht auf die Waage.

Ticona GmbH, Kelsterbach

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