Der Wechsel vom Verbrennungs- zum Elektromotor bedeutet für die Kunststoffindustrie einige Unwägbarkeiten. Elektrische Antriebe stellen teilweise gänzlich andere Anforderungen an die Materialien. Welche das konkret sind, kristallisiert sich mit der zunehmenden Verbreitung entsprechender Fahrzeuge immer stärker heraus. Ein Überblick über die wichtigsten Änderungen.

Flammschutz, Wärmebeständigkeit und Kriechstromfestigkeit in Elektrofahrzeugen

Elektromotoren

Antriebe

Automotive

Elektronik

Elektromobilität

Mobilität

Kunststoffe

Photonik

Optik

Polyamide

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Elektronische Bauelemente

Leistungselektronik

Technische Kunststoffe

Hochleistungskunststoffe

Antreiber der Elektromobilität

Leichtbau, Funktionalität und Design prägen die Materialentwicklung in den Einsatzgebieten von Polycarbonat-Compounds, -Composites und -Folien. Große Chancen bestehen in der Mobilität der Zukunft, im Strukturleichtbau mit endlosfaserverstärkten Composites, in der 5G-Technologie und der Medizintechnik.

Polycarbonat (PC): Aufregende Designs durch hohe Oberflächenqualität und neue Verfahren

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Medizintechnik

Polycarbonat

Medizinprodukte

Werkstoff für viele Trends

Wegen seiner guten Temperaturbeständigkeit, Schlagfestigkeit und ansprechenden Optik kommt Acrylnitril-Butadien-Styrol häufig bei Haushaltsgeräten und in der Automobilindustrie zum Einsatz. Auch beim Aufbau einer Kreislaufwirtschaft sind Erfolge zu verzeichnen. Immer mehr ABS werden mit Recyclinganteilen angeboten. Darin besteht eine Parallele zu Polystyrol (PS), bei dem es ebenfalls große Recyclinganstrengungen gibt.

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS): Recycling und Kreislaufwirtschaft nimmt Gestalt an

Polystyrol

ABS / ASA-Kunststoffe

Nachhaltigkeit im Fokus

Wir übernehmen Verantwortung – für unsere Produkte, aber auch für die Produkte, die auf unseren Maschinen gefertigt werden. Der weltweit verantwortungsvolle Umgang mit Kunststoffen sowie die Schaffung von Voraussetzungen, für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft sind ein wichtiger Bestandteil unserer Unternehmenskultur.

Spritzgießen

Kautschuk / Elastomere

Reinraumtechnik

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Silikone

Montagetechnik

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Temperieren

Wärmebehandlung

Industrie 4.0

Automatisierungstechnik

Circular Economy bei ENGEL – Farbe bekennen und Stoffkreisläufe schließen

Die Batterien von Elektrofahrzeugen müssen besonders gesichert werden, um Brände zu verhindern. Batterieböden aus Aluminium bieten häufig keinen ausreichenden Schutz. Der Automobilzulieferer ElringKlinger hat deshalb einen Unterbodenschutz aus glasfaserverstärktem PP entwickelt.

Unterbodenschutz für Batterien von Elektrofahrzeugen

Polypropylen-Platten

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Glasfasern / -matten

Verstärkungsstoffe

Aluminium

Metall Werkstoffe

NE-Metalle

Polypropylen

Polypropylen schlägt Aluminium

Der Fortschritt bei Fügetechnologien wie dem Laserdurchstrahlschweißen, die steigende Nachfrage nach wärmeleitenden Kunststoffen, der Leichtbau und die Elektromobilität gehören in der Material- und Anwendungsentwicklung mit Polyamid zu den großen Trends. Auch bei bei diesem Polymer wächst der Bedarf an nachhaltigeren Werkstoffen. Geschlossene Stoffkreisläufe werden deshalb künftig in der Herstellung von PA 6 und PA 66 eine immer wichtigere Rolle spielen.

Polyamid (PA): Produktverbesserungen und Ersatz von PA 66 durch PA-6-Compounds

Hybridtechnik

Compound

Vibrationsschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Hybridwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Laserschweißen

Laserauftragsschweißen

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Lasertechnik

Kunststofffasern

Verbesserungen bei Materialien und  der Verarbeitung

Gewindeeinsätze sorgen für eine sichere Anbindung von Hybridbauteilen. Bei Langzeitbelastung kann es bei Thermoplasten allerdings aufgrund von Druck und Temperatur zu Setzeffekten kommen, wodurch eine beständige Verschraubung nicht mehr gewährleistet ist.

Oberflächenstruktur sorgt für sichere Verankerung von Gewindeeinlegern in Organoblechen

Faserverbundwerkstoffe

Setzeffekte in Hybridbauteilen verhindern

Styrol kann auf verschiedene Arten polymerisiert und mit unterschiedlichen Comonomeren modifiziert werden. Die dadurch entstehenden Kunststoffe unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und lassen sich somit gezielt auf bestimmte Anwendungen zuschneiden. Aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften sind sie für viele Branchen geeignet. Besonders in der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Verpackungsbranche sind Styrolkunststoffe gefragt.

Styrol-Copolymerisate: Durch ansprechende Optik und mögliche Transparenz punkten

Verpackungsmaterial

Logistik

Styrol-Copolymerisate

Vielfältig in Form und Anwendung

Die Anzahl elektronischer Komponenten in Fahrzeugen nimmt seit Jahren beständig zu. Um sie mit elektrischer Energie zu versorgen, werden häufig hohe Ströme benötigt. Die dabei entstehende Wärme stellt allerdings eine Gefahr für die Komponenten dar und kann zur Beschädigung und zum Ausfall der Bauteile führen. Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Temperatur an kritischen Bereichen bieten wärmeleitfähige Kunststoffe. Welche Effekte sich damit erreichen lassen, zeigt das Beispiel einer Vorsicherungsbox für den Golf 8.

Wärmeleitfähige Kunststoffe helfen bei der Entwärmung von Bordnetzkomponenten

Abkühlung für Fahrzeugelektronik

Die Fertigung von dreidimensionalen Bedienelementen, die nicht nur leicht gekrümmt sind, sondern große Verformungstiefen aufweisen, ist eine große Herausforderung. Damit sie dennoch funktionieren, kommt es auf die gewählten Folien und Druckpasten an.

Kapazitive User Interfaces im Automobil

Gedruckte Elektronik

HMI, Bedienelemente, Displays

Anzeige- und Bedienelemente

Mobile Automation

Fahrzeugbau

Folien

Leitfähige Bedruckung unter extremer Verformung

2012 wurden weltweit etwa 3,6 Mio. t Polycarbonat (PC) verbraucht. Hier finden Sie Details zum Anteil der einzelnen Regionen und Anwendungsbranchen.

Polycarbonat (PC)

kunststoffe.de

Marktentwicklung Polycarbonat (PC)

Metallersatz durch Polyamide (PA) senkt das Gewicht und die Kosten von Bauteilen. Zudem haben Entwickler mehr Freiheiten im Design. Eine neue Reihe von PA 6 mit höherer Steifigkeit und Festigkeit bietet sich nicht nur für die Substitution von Metallen an, sondern kann auch PA 66 ersetzen.

Spezielle Polyamide 6 erreichen die Eigenschaften von Polyamid 66

Metallersatz durch verbesserte Polyamide

Polycarbonat (PC) ist transparent, wärmeformbeständig und schlagzäh. Der Werkstoff kommt vor allem in optischen Speichermedien zum Einsatz.

Bei der Ionenauslaugung und der Hydrolysebeständigkeit der bisher verwendeten Materialien für Brennstoffzellen besteht noch Nachholbedarf. Eine Möglichkeit dafür stellen speziell entwickelte PPS dar.

Materialverbesserungen sorgen für zuverlässigere Brennstoffzellen

Brennstoffzelle

Stromversorgung

Brennstoffzellen

Brennstoffzellenfahrzeuge fit für den Einsatz machen

Klassische Beschichtungstechniken wie das Sprühlackieren stoßen in der Fertigung funktional hochintegrierter und edel dekorierter Kunststoffteile an ihre Grenzen. Im Gegensatz dazu ist die Prozesskette des Direct-Coating-Verfahrens inzwischen optimiert worden.

Direct Coating mit Polyurethan-Beschichtungen eröffnet Design- und Funktionsoptionen

Polyurethan

Hohe Produktivität für smarte Bauteile

Großflächige gebogene Kunststoffblenden mit integrierten Displays

Displays harmonisch in die Linienführung eines Fahrzeugcockpits zu integrieren war bisher eine echte Herausforderung. Das Unternehmen Continental setzt nun eine Kombination aus Film Insert Molding, In-Mold Decoration und Spritzprägen ein, um große dreidimensional geformte Kunststoffblenden zu fertigen.

Fahrzeugcockpits werden immer stärker von Displays geprägt. In der Regel verfügen aktuelle Modelle über zwei vollfarbige, grafikfähige Anzeigen. Das Kombinationsinstrument besteht meistens aus einem großen Display (Full Digital Cluster, FDC). Zusätzlich dazu befindet sich oft in der Mittelkonsole ein zweites Display, das in der Regel nicht direkt fahrrelevante Inhalte wie Navigation, Infotainment und Bedienung darstellt. Häufig verfügt es über eine Touch-Funktion. Der Trend geht seit Jahren ungebrochen dahin, dass Anzahl, Diagonale und Auflösung der Displays zunehmen.

Die technischen Eigenschaften solcher nebeneinander angeordneten Displays möglichst exakt zu harmonisieren (Weißpunkt, Farbtemperatur, Farbkoordinaten, Schwarzhomogenität) stellt eine große Herausforderung dar. Eine weitere besteht darin, die Displayoberflächen harmonisch in die Linienführung eines Cockpits zu integrieren. Displays auf Glasbasis erweisen sich als etwas sperrig. Die erreichbare Krümmung liegt bei ihnen etwa bei 800 bis 3000 mm Radius. Wesentlich bessere Voraussetzungen bieten flexible Anzeigen wie AMOLED-Displays (Active Matrix Organic Light Emitting Diode). Allerdings benötigen AMOLED zwingend eine Schutzschicht, um für den vergleichsweise rauen Fahrzeugeinsatz mit Touch-Bedienung geeignet zu sein.

Um diese Herausforderung zu lösen, hat das Unternehmen Continental AG, Hannover, eine durchgehende 3D-Kunststoffblende entwickelt (Titelbild). Sie schützt die dahinter liegenden beiden AMOLED-Displays mit 12,3 Zoll vor mechanischer Beschädigung. Außerdem lässt die partiell bedruckte Blende die Bildschirme nahtlos mit der umgebenden Fläche verschmelzen, wodurch die gesamte gekrümmte Fläche wie ein einziges durchgehendes Instrument wirkt. Für diese Innenraumverkleidung wurden mehrere Sonderproduktionsverfahren miteinander kombiniert. Das sogenannte High-Pressure Forming (HPF) dient etwa zur Umformung der zweidimensional bedruckten Folie in die dreidimensionale Kontur des finalen Bauteils. Dieses wird im Anschluss in ein Werkzeug eingelegt und hinterspritzt. Dieser Prozess nennt sich Film Insert Molding (FIM). Beim In-Mold-Decoration-Verfahren (IMD) wird schließlich im Rolle-zu-Rolle-Prozess schon im Spritzgusswerkzeug die Hardcoat-Beschichtung auf das Bauteil aufgebracht. In Kombination mit dem Spritzprägeverfahren sorgt das für sehr geringe Spannungshaushalte im Bauteil. Die Herausforderung bei der Entwicklung dieses Produktionsverfahrens lag in den Dimensionen der Blende: Das Muster misst rund 200 mm x 700 mm. Diese Größe konnte bisher weder im IMD- noch im FIM-Verfahren mit >100 mm Um-formhöhe verarbeitet werden. Die verwendeten Maschinen sind bei Inbetriebnahme teilweise weltweit einzigartig.

Die 3D-Instrumentenblende ist aus drei Funktionslagen aufgebaut. Die Rückseite bildet eine bedruckte Folie (FIM) mit 375 µm Stärke, die Vorderseite ist eine 15 µm dünne Hartschicht, die von einer Transferfolie (IMD) aus übertragen wird. Der Kern des Bauteils besteht aus 2,1 mm dickem Polycarbonat (PC), das zwischen FIM-Folie und vorderseitige IMD-Folie eingespritzt wird. Anschließend bleibt es bei homogenem Druck und Temperaturen von anfänglich 300 °C während der Abkühlphase im Werkzeug. Trotz der Größe von 200 mm x 700 mm wiegt das rund 2,5 mm dicke Endprodukt nur rund 350 g.

Ohne umfangreiche technische Erfahrung mit den eingesetzten Fertigungstechnologien wäre diese Integration nicht möglich gewesen. Bei der Kombination aller Schritte zusammen mit der dreidimensionalen Kontur der Blende handelt es sich nämlich um ein komplett neues Verfahren. Continental kamen dabei die viele Jahrzehnte Erfahrung mit der Bedruckung von Folien und deren Umformung, beispielsweise für Zifferblätter von klassischen Tachos, zugute. Auch die Erfahrung des Automobilzulieferers im Spritzen von optischen und hochtransparenten Bauteilen wie Spiegel für Head-up-Displays und Deckgläser war enorm wichtig. Auch die Transferapplikation von dünnen Filmen wird bereits seit vielen Jahren in der Großserie genutzt, etwa um transparenten Zeigerfahnen ihre leuchtfarbige Oberfläche zu geben oder hochwertige und beständige Klavierlack-Oberflächen auf Kunststoffblenden zu erzeugen.

Neben den Fertigungstechnologien war auch die Auswahl der passenden Rohstoffe eine große Herausforderung. Die Anforderungen an die Materialien im Automobilbereich sind sehr hoch. Dazu zählen Wärmebeständigkeit, etwa gegenüber direkter Sonneneinstrahlung oder der Verlustwärme der Displays, Dimensionsstabilität, Kratzfestigkeit trotz zahlreicher Abriebhübe und optische Qualität, die dem Vergleich mit hochwertigen Materialien wie Mineralglas standhalten muss. Auch eine hohe Schlagzähigkeit ist notwendig, um im schlimmsten Fall selbst bei einem Kopfaufprall ein Splittern des Deckglases zu verhindern. Außerdem muss eine Touch-Bedienung integrierbar sein. Wie bei jeder Lebensdauerkomponente im Fahrzeug wird eine Dauerfestigkeit über 10 Jahre bzw. 300 000 km erwartet – und auch kompromisslos getestet. Aus diesem Grund kommen nur speziell ausgewählte Materialien infrage.

Bild 1 zeigt die beiden Stränge des Fertigungsprozesses im Überblick. Der obere Strang erzeugt die bedruckte Rückseite der Blende durch FIM, der untere Strang führt die Transferfolie mit der Hartbeschichtung zu. Am Zusammentreffen der beiden Stränge folgt die Hinterspritzung der beiden Folienschichten mittels Spritzprägen.

Am Anfang des oberen Stranges steht jeweils ein großer Bogen aus PC-Folie (Typ: Makrofol HF; Anbieter: Covestro AG, Leverkusen). Das Makrofol HF eignet sich wegen seiner hohen Wärmeformbeständigkeit und Transparenz sowie der sehr guten Formbarkeit und Elastizität über einen großen Temperaturbereich optimal für den Anwendungszweck. Diese 375 µm dünne Folie wird zunächst in einem Kombinationsverfahren aus Digital- und Siebdruck mit Funktions- und dekorativen Drucken sowie farbigen Elementen versehen. Der Digitaldruck dient dazu, anspruchsvolle Farbverläufe und grafische Muster zu erzeugen. Selbst fotorealistische Drucke sind umsetzbar.

 Heizkacheln erwärmen in einer HPF-Maschine den fertig gedruckten 2D- Folienbogen, bis er bei 150 °C seine Glasübergangstemperatur erreicht. Nun wird der aufgeheizte Bogen über dem 3D-Werkzeug positioniert, und das Umformwerkzeug schließt sich. Luftdruck mit rund 60 bar legt die Folie an die 3D-Kontur der Form an (Bild 2). Nach der Entnahme aus der Maschine härtet der umgeformte Film dann unter UV-Licht aus. Bei der Prototypfertigung wird der 3D-Rohling anschließend mit einem Fräsverfahren allseitig auf die Bauteilkontur beschnitten, und gegebenenfalls erforderliche Bohrungen werden durch-geführt. Das Ergebnis dieses Prozesses ist die Rückseite der späteren Instrumentenblende. Die verwendete HPF-Maschine des Herstellers Niebling GmbH, Penzberg, ermöglicht ein echtes 3D-Umformen großformatiger Bauteile mit Ziehtiefen von ≤150 mm bei Bogengrößen von 1150 mm x 650 mm. Das formgebende Werkzeug wurde speziell für diesen Prozess entworfen.

In dem unteren Strang der in Bild 1 dargestellten Fertigung wird der Transferfilm mit der Hartbeschichtung vorbereitet. Dieser IMD-Film wird der Spritzgießmaschine als Rollenmaterial zugeführt. Durch das dreidimensionale und großformatige Design der Displayblende war es auch in diesem Fertigungsabschnitt notwendig, über die bisher bestehenden technologischen Grenzen hinauszugehen.

Vor dem Hinterspritzen wird der bedruckte 3D-Film in das komplexe Spritzgießwerkzeug eingelegt. Die beiden Werkzeughälften wiegen zusammen über 16 t. Zudem verfügt das Werkzeug aufgrund seiner Komplexität über eine gewisse Intelligenz in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), die u. a. die Bedienung via Smartphone und über WLAN unterstützt. Die SPS ist zuständig für die Überwachung und Koordination der mehr als 60 Aktoren und Sensoren, die sich in dem Werkzeug befinden. Sie wickelt eigenständig das Zusammenspiel mit Spritzgießmaschine und zwei weiteren Sekundärperipherien ab. Während des Einlegens des FIM wird die IMD-Schutzfolie (Typ: Bright View; Anbieter: Leonhard Kurz Stiftung GmbH & Co KG, Fürth) von einem speziellen Folienzuführgerät im Werkzeug positioniert. Für die Fixierung der Folie im Werkzeug dient ein zwölfteiliges Klemmrahmenkonzept. Dieses fixiert die Folie mit einer exakt definierten Abfolge geschwindigkeits- und positionsgeregelt im Werkzeug (Bild 3). Unter Vakuum legt sich die Transferfolie faltenfrei in die Form.

Sind beide Folien positioniert, werden die Werkzeughälften geschlossen und mit bis zu 300 °C heißem PC (Typ: Makrolon Ai, Anbieter: Covestro) hinterspritzt. Das bedruckte FIM und der transparente IMD-Schutzlack werden durch die hohen Temperaturen und Drücke ein fester Bestandteil der Blende. Um eine gleichmäßig hohe optische Qualität der späteren Blende sicherzustellen, wird der Kunststoff in die noch leicht geöffnete Kavität eingespritzt und diese erst nach dem vollständigen Einspritzen komplett geschlossen. Das sorgt für einen niedrigen Fülldruck und eine homogene Druckverteilung während der Abkühlphase. Aufgrund der dabei entstehenden Auftriebskräfte muss die Hydraulik der Maschine Schließkräfte von bis zu 1500 t erzeugen. Beim Öffnen der Maschine löst sich der IMD-Transferfilm von der Vorderseite der 3D-Blende, während die Hartschicht (Schutzlack) auf dem PC verbleibt.

Das PC mit seiner glasartigen Transparenz, einer hohen Schlagzähigkeit auch bei niedrigen Temperaturen und der guten Dimensionsstabilität gibt der 3D-Instrumentenblende ihre Festigkeit. Nach dem Abkühlen härtet der IMD-Schutzlack der fertigen Blenden unter UV-Licht aus. Anschließend werden die Angüsse entfernt und sind nun bereit für das optische Dry-Bonding der beiden 12,3 Zoll großen AMOLED-Displays.

Bei Blenden aus Kunststoffen können auf der Vorderseite zusätzliche 3D-Strukturen erzeugt werden, die den Finger des Fahrers bei der Bedienung der Mittelkonsole führen (Bild 4). Damit lassen sich etwa digitale Bedienelemente wie Schieberegler zur Lautstärkenverstellung nachbilden. Durch diese fühlbaren Orientierungshilfen sinken die Anforderungen an die Hand-Auge-Koordination. Der Fahrer muss den Blick kürzer von der Straße abwenden und behält das Verkehrsgeschehen besser im Blick. Zusätzlich können dem Fahrer mit der 3D-Instrumentenblende taktile Rückmeldungen gegeben werden. Er fühlt z. B. an der Fingerspitze, sobald er eine Touch-Eingabe gemacht hat. Kontrollblicke werden kürzer oder entfallen ganz, was die Sicherheit steigert.

Mit den Fertigungsprozessen aus FIM-3D- Umformung, Rolle-zu-Rolle-IMD-Beschich- tung und Spritzprägen lassen sich optisch hochwertige großformatige Instrumentenblenden erzeugen. Neben ihrem geringen Gewicht besitzen sie mehrere zentrale Vorteile. Der kombinierte Prozess erlaubt die Integration gekrümmter Displayoberflächen, was vor allem die Mittelkonsole besser in den bogenförmigen Greifraum der rechten Fahrerhand rückt. Die Bedienung der im Mittelkonsolendisplay integrierten Funktionsumfänge wird dadurch ergonomischer. Die Möglichkeit, zusätzlich dreidimensionale Strukturen auf der Oberfläche der Blende zu erzeugen, macht die Bedienung während der Fahrt noch sicherer und intuitiver. Und schließlich ermöglicht der Prozess die nahtlose Integration einzelner AMOLED-Displays ohne sichtbare Übergänge zwischen Bildschirm und Blendenfläche. Dadurch entsteht ein harmonisches Cockpit mit attraktiv gespannten Bogenverläufen.

Die neuartige Fertigungstechnik mit eigens dafür angepassten Maschinen hat sich in der Herstellung von Prototypblenden bewährt. Das neuartige Verfahren kann somit für künftige Serieneinsätze genutzt werden.

Continental Automotive GmbH  

https://www.continental-corporation.com

Ausgabenartikel

In die durchgehend 3D-geformte Instrumentenblende sind zwei Displays nahtlos integriert

Bild 1. Der Fertigungsprozess der Kunststoffblende erfolgt zunächst in zwei getrennten Prozessen, die danach zusammengeführt werden  

Bild 2. Die FIM-Maschine für die 3D-Heißumformung großformatiger PC-Bögen arbeitet mit 60 bar

Bild 3. Der zwölfteilige Spannrahmen für die Positionierung der IMD-Folie sorgt für eine exakte Fixierung der Folie vor dem Hinterspritzen  

Bild 4. Oberflächentopografien auf der Blende erleichtern die Blindbedienung von Funktionen auf dem Display. Dadurch ist der Fahrer weniger vom Straßengeschehen abgelenkt

Continental - Hauptartikel

<b>Martin Lenz</b> ist Expert Plastic Design for Manufacturability und technischer Projektleiter für 3D-Kunststoffblenden bei Continental in Babenhausen;

<a href="mailto:Martin.Lenz@continental.com">Martin.Lenz@continental.com</a>

<b>Kai Hohmann</b> arbeitet als Produktmanager für Displayprodukte bei Continental in Babenhausen;

<a href="mailto:Kai.Hohmann@continental.com">Kai.Hohmann@continental.com</a>