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

Kunststoff Werkstoffe

Verstärkungsstoffe

Automotive

Elektronik

Elektromobilität

Mobilität

Kunststoffe

Photonik

Optik

Aluminium

Metall Werkstoffe

NE-Metalle

Polypropylen

Thermoplaste

Polypropylen schlägt Aluminium

Die Batterien von Elektrofahrzeugen müssen ausreichend gegen mechanische Beschädigungen geschützt werden. Das gilt nicht nur für den eigentlichen Akku, sondern auch für die Batterie des Bordnetzes. Bei der Entwicklung des entsprechenden Batteriekastens des Elektrobusses VW Pluto stieß der Hersteller auf einige Schwierigkeiten in der Fertigung. Um diese in den Griff zu bekommen, musste nicht nur die Bauteilgeometrie, sondern auch das Spritzgießwerkzeug angepasst werden. Eine große Rolle spielte außerdem das für den Batteriekasten verwendete Material.

Batteriekasten für das Bordnetz des Elektrobus VW Pluto

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Polypropylen-Compound

Werkzeugbau

Dienstleistungen

Werkzeug-, Formen- und Modellbau

Material und Produktion erfolgreich  anpasst

Der Wechsel in der Antriebstechnik vom klassischen Verbrennungsmotor hin zum Elektroantrieb stellt sowohl Automobilhersteller als auch -zulieferer vor große Herausforderungen. Technische Kunststoffe mit ihren vielfältigen Eigenschaften bieten eine große Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten in Elektrofahrzeugen.  

Vom Prototyp der ersten Lithium-Ionen-Batterie zu Thermoplasten für die Elektrifizierung 

Energiemanagement / Ladetechnik

Polyamide

Synergien aus Fernost 

Ein großer Teil des Kunststoffabfalls im Meer stammt von der maritimen Industrie. Das dänische Unternehmen Plastix recycelt solche alten Fischernetze und Seile. Das hergestellte Granulat wird unter anderem zur Herstellung von expandiertem Polypropylen (EPP) verwendet.

Aus maritimen Kunststoffabfällen wird expandiertes Polypropylen

Schaumstoffe und Vorprodukte

Schaumstoffe

Kunststoff-Aufbereitung

Recycling

Umweltmanagement

Standardkunststoffe

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Rezyklat

Vom Fischernetz zum Partikelschaum

 Bisher hatten die Automobilbauteilhersteller Bedenken, Rezyklate in sicherheitsrelevanten Bereichen einzusetzen. Der Materialhersteller JSP hat ein expandiertes Polypropylen mit 25 % Rezyklatanteil für genau für diese Einsatzgebiete entwickelt.

Kreislaufwirtschaft für expandiertes Polypropylen (EPP)

Fahrzeugbau

Aus Verpackungen werden Automobilbauteile

Gewichts- und Kosteneinsparungen sind in der Luftfahrt stark gefordert. Das gilt nicht nur für verbaute Komponenten, sondern auch für Nutzgegenstände wie Tabletts. Eine Möglichkeit, das Gewicht zu reduzieren, stellen Polymerschäume dar. Allerdings lässt bei ihnen oft die Oberflächengüte zu wünschen übrig. Mit den richtigen Anpassungen können jedoch hochwertige Oberflächen erzeugt und auch noch die Ökobilanz deutlich verbessert werden.

Polypropylen-Integralschaum ersetzt ABS

Schaumspritzgießen

Compound

Kunststoffe, biobasiert

Biokunststoffe

Kunststoffe, bioabbaubar

Mit geringerem CO2-Fußabdruck  servieren

Letztes Jahr hat der italienische Compoundeur Sirmax großflächig investiert. Mit Società Europea di Rigenerazione (SER) und Microtec wurden zwei Firmen übernommen und zusätzliche Produktionskapazitäten kamen hinzu. Ein Großteil dieser Investitionen floss in Recyclingtechnologien. Im Juni sollen nun weitere Recyclinganlagen in Italien in Betrieb gehen. Aus diesem Anlass sprach Kunststoffe mit dem Geschäftsführer von Sirmax, Massimo Pavin.

Wieso der Compoundeur Sirmax ins Recycling einsteigt

Streifinger, Florian

Compoundeure

Handel

Compoundieren

„Rezyklate zuzukaufen, wäre zu  gefährlich“

Aufgrund der zunehmenden Forderungen nach Nachhaltigkeit ist PP unter Druck. In diesem Bereich tun sich aber auch neue Geschäftsfelder auf.

Polypropylen (PP)

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Verpackungsmaterial

Logistik

Wachsen durch technische Spezialitäten

Doppelschneckenextruder werden meist für die Aufbereitung von Kunststoffen eingesetzt. Eine wichtige Prozesscharakteristik ist die Beanspruchung des Materials. Untersuchungen zum Materialabbau von Polypropylen im Doppelschneckenextruder zeigen auf, wie sich die Abnahme der Materialeigenschaften in der Praxis reduzieren lässt.

Reproduzierbarkeitsnachweis und Handlungsempfehlungen für Polypropylen

Extrusion

Extruder

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Extrusionsanlagen

Materialabbau im Doppelschneckenextruder

Mit viel Know-how, mutigen Investitionen und eigenen Entwicklungsmethoden hat sich der Automobilzulieferer RF Plast ein zweites Standbein geschaffen. Grundlage dafür war ein Kundenprojekt, bei dem Edelstahl durch Kunststoff ersetzt wurde.

RF Plast überzeugte die Edelstahlbauer der Huber SE mit Siebfilterelementen aus Kunststoff

Lohnfertigung

Forschung + Entwicklung

Prozesssimulation

Software

Simulation

Abwasserreinigung

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Spritzgießsimulation

Kunststoffverarbeitung

Wasseraufbereitung

Kunststofffasern

Werkstoffliche Wachablösung

Entgegen der aktuellen öffentlichen Wahrnehmung stellen Kunststoffe auch als Bestandteil von Verpackungsmaterialien in vielen Fällen die ökologisch sinnvollste Variante dar. Die Kunststoffindustrie durchläuft derzeit einen Wandel.

Ressourceneffizientere Werkstoffe für das Thermoformen

Blend

Masterbatches

Additive

Warmformen / Thermoformen

Folien

Dem Druck standhalten

Beim Leichtbau geht es längst nicht mehr nur um Metallersatz, immer öfter werden bereits eingesetzte Kunststoffe durch leichtere Polymere substituiert. Neue Compounds mit niedriger Dichte zeigen nicht nur gute Material- und Verarbeitungseigenschaften. Sie bieten obendrein verschiedene Zusatznutzen, wie eine Motorraum-Schottwandabdeckung und eine Pkw-Einstiegsleiste zeigen. 

Dichte und Bauteilgewicht werkstofflich reduzieren, ohne bestehende Prozesse zu ändern 

Starke Fliegengewichte 

Der Kunststoff-Distributor Ultrapolymers Deutschland GmbH , Augsburg, hat mit den Scolefin CB -Typen von Ravago jetzt Polypropylen-Compounds im Portfolio, die auf Grund ihres Oberflächenwiderstands &lt; 10³ Ohm als elektrisch leitfähig eingestuft sind. Diese mit Ruß (Carbon Black) gefüllten, schwarzen Kunststoffe verhindern statische Aufladungen. Sie erfüllen die Anforderungen der DIN EN 61340 in Bezug auf den Schutz von elektronischen Bauelementen vor Entladungsvorgängen, die hohen, im industriellen Produktionsumfeld geltenden Vorgaben hinsichtlich Explosionsschutz und die strengen Sicherheitsanforderungen in der Lieferkette.

Elektrisch leitfähige Typen 

Elektrisch leitende Füllstoffe (Metalllegierungen, Ruß, Graphit)

Polypropylen-Compounds Scolefin CB  

Durch Mikroverkapselung können Flüssigschmiermittel in Pseudo-Feststoffe umgewandelt werden. Die damit pulverartigen Additive lassen sich gut handhaben und die enthaltenen Schmiermittel wirken im Bedarfsfall zielgenau an der beanspruchten Stelle. Wie stark sich die Reibung bei Bauteilen mit diesen Mikrokapseln reduzieren lässt, hängt allerdings sehr vom verwendeten Matrix-Polymer und dem Material der Kapselwände ab.

Teil 2: Flüssige Schmierstoffe in Kunststoffbauteile integrieren

Durch Kapseln wird aus flüssig fest

Die Sabic, Riad/Saudi Arabien, hat mit dem Polypropylen Sabic PP-UMS ein Kunststoff entwickelt, der schäumbar ist und eine sehr hohe Schmelzefestigkeit von über 65 cN aufweist. Die Schäumbarkeit des Materials wurde im Foam Innovation Center (FIC) des Unternehmens in den Niederlanden erprobt und angepasst. 

Schäumbares PP für Leichtbauteile 

Polypropylen mit hoher Schmelzefestigkeit 

Gewichtsreduktion ist eine der großen Anforderungen an Automobilbauteile – unabhängig davon, in welchen Fahrzeugen sie genutzt werden. Einer der leichtesten infrage kommenden Werkstoffe ist Polypropylen (PP). Mit den passenden Verstärkungen eignet er sich auch für anspruchsvolle Fahrzeugbauteile. Das zeigt beispielsweise der Einsatz als Mittelkonsolenträger im Elektrofahrzeug NIO ES8.

Vernetzte Fahrzeuge, die Elektrifizierung des Antriebs, autonomes Fahren und Carsharing stellen Automobilhersteller und die Zulieferindustrie vor die Herausforderung, bisherige Geschäftsmodelle zu überdenken und veränderte Mobilitätskonzepte zu entwickeln. Diese Trends bringen teilweise gänzlich neue Technologien in das Fahrzeug.

Während sich diese Entwicklungen meist nur auf bestimmte Fahrzeugklassen oder Segmente im Automobil beziehen, durchdringt eine Anforderung praktisch alle Bereiche: Gewichtsminimierung zur Effizienzsteigerung.

Bei Automobilen mit Verbrennungsmotor führt eine Gewichtsreduktion um 100 kg zu einer Verringerung des Spritverbrauchs um 0,2 bis 0,3 l/100 km. Umgerechnet sind das bis zu 8 g CO2/km. Die tatsächliche Einsparung hängt allerdings stark vom Fahrverhalten ab. Bei konstanter Fahrt, z. B. auf der Autobahn, spielt das Gewicht eine untergeordnete Rolle für den Energieverbrauch. In diesem Fall beeinflusst der Luftwiderstand maßgeblich die Energiebilanz. Beim Anfahren und Bremsen ist es genau umgekehrt.

Gleiches gilt für E-Fahrzeuge: Bei ihnen kann zwar durch Rekuperation ein Teil der Bremsenergie als elektrische Energie zurückgewonnen werden. Dieser Prozess ist aber nicht verlustfrei. Elektrofahrzeuge sind außerdem meist schwerer als vergleichbare Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Bei gleichen Modellen kommen sie durchschnittlich auf ein 15 % höheres Gewicht. Obwohl im elektrischen Antriebsstrang viele Komponenten wegfallen, führen die schweren Batterien zu einem Gewichtsanstieg. Die Energiedichte von Akkus steigt zwar stetig, dennoch sind die Reichweiten von E-Automobilen immer noch deutlich geringer als jene konventionell betriebener Fahrzeuge. Leichtbau bleibt deshalb eine der entscheidenden Anforderungen.

Polypropylen (PP) ist mit einer Dichte von 0,9 g/cm³ leichter als Wasser und somit einer der leichtesten Werkstoffe, die in Fahrzeugen genutzt werden. Die hohen Anforderungen im Automobilbereich erlauben es üblicherweise nicht, reines PP einzusetzen. In den meisten Fällen werden PP-Compounds verwendet. Deren Dichte steigt zwar durch die Verwendung von Verstärkungsstoffen wie Talkum, Glasfasern oder auch Carbonfasern etwas an, bewegt sich aber immer noch in einem Bereich von 1,05 g/cm³ (±0,1).

Füllstoffanteil reduziert auf unter 10 %

Bei mineralisch verstärkten PP-Compounds arbeitet die Borealis AG, Wien, in den letzten Jahren intensiv an einer Reduktion des Verstärkungsstoffanteils. Durch gezielte Optimierung des Polymerdesigns konnte bei Beibehaltung der Mechanik und Verbesserung der Verarbeitbarkeit eine deutliche Dichtereduzierung der Compounds erzielt werden. Anstatt der früher verwendeten PP-Compounds mit einem Füllstoffanteil von 20 % und mehr sind jetzt Materialien mit einem Anteil von 10 % und weniger in Gebrauch. Aktuelle Türverkleidungsmaterialien weisen Dichten von um die 1 g/cm³ auf. Ein Beispiel dafür ist das sehr schlagzähe PP-Compound Daplen EE001AI. Es kommt auf eine Dichte von nur 0,95 g/cm³, besitzt dennoch eine sehr hohe Oberflächengüte und Kratzfestigkeit. Neben der Erfüllung ästhetischer Anforderungen müssen Innenraummaterialien auch emissionsarm und geruchsneutral sein und den OEM-Standards nach den Normen VDA 278 und VDA 270 entsprechen. Daplen EE001AI erreicht beides und ermöglicht im Vergleich zu üblichen PP-Compounds eine Reduktion des Bauteilgewichts um bis zu 6 %. Das Material kommt in diversen Modellen verschiedener Fahrzeughersteller zum Einsatz, unter anderem im Skoda Scala (Bild 1), und soll auch in künftigen E-Fahrzeugen eine wichtige Rolle spielen.

Im Außenbereich der Fahrzeuge liegt einer der Schwerpunkte auf der Integration von unterschiedlichen Sensoren und diverser Messtechnik, die für Fahrassistenzsysteme und in weiterer Folge das autonome Fahren erforderlich sind. Die Hersteller erwarten, dass sich das ohne Einschränkungen bei der Optik oder der Luftführung (cw-Wert) umsetzen lässt. Durch diese funktionalisierte Vollintegration sind Materialien mit bekannten Eigenschaften, aber höherer Fließfähigkeit und geringerem Längenausdehnungskoeffizienten notwendig. Erreicht wird diese Kombination z. B. durch das PP-Compound Daplen EH227AE, das gleichzeitig noch eine sehr gute Oberflächengüte für nicht lackierte Anwendungen bietet.

Neben den klassischen Einsatzgebieten von Polyolefinen wie Stoßfänger, Schweller und Spoiler werden auch ganze Heckklappenmodule aus PP hergestellt. Dafür kommen unterschiedliche Konzepte zum Einsatz, etwa dreischalige Lösung mit Verkleidungsteilen oder zweischalige Lösung mit sichtbarer Trägerstruktur. Der bis dato übliche metallische Träger wird durch eine Rahmenstruktur aus faserverstärktem PP ersetzt.

Wenn wie bei Heckklappen verbesserte mechanische Eigenschaften und Festigkeitswerte gefordert sind, um etwa Polyamid (PA) oder Metall zu ersetzen, dann bleiben Glasfasern weiterhin der Standard in der Verstärkung von PP. Solche Werkstoffe kommen auch für stark belastete Träger und für Bauteile unter der Motorhaube zum Einsatz. Ein Beispiel dafür ist das mit 40 Gew.-% kurzglasfaserverstärkte PP Fibremod GB477HP von Borealis. Es wird gegenwärtig unter anderem für Front-End-Module verwendet (Bild 2).

Ähnlich hohe Festigkeiten wie glasfaserverstärktes weist carbonfaserverstärktes PP auf (Bild 3). Es besitzt darüber hinaus eine extrem niedrige Dichte, gute Verarbeitbarkeit und sehr geringe thermische Längenausdehnung und Verzugsneigung. Fibremod CB201SY, ein PP-Compound mit 20 Gew.-% Carbonfaseranteil, erreicht ein Biegemodulniveau von knapp 10 000 MPa bei einer Dichte von 1 g/cm³. Dieses Material setzt beispielsweise der chinesische Automobilhersteller NIO in den Mittelkonsolenträger seiner Elektrofahrzeuge NIO ES8 (Bild 4) und NIO ES 6 ein. Neben der komplexen Bauteilgeometrie, die mit glasfaserverstärktem PP nur schwer realisiert werden könnte, ergibt sich durch CB201SY eine Gewichtsersparnis von 20 % gegenüber einem zu 40 Gew.-% langglasfaserverstärkten PP mit ähnlicher Steifigkeit.

Eine reine Materialsubstitution ist in vielen Fällen aber nicht zielführend. Für die Umsetzung komplexer Strukturbauteile ist fundiertes Basiswissen in der Simulation erforderlich, das neben den Materialmodellen für die Berechnung und Vorhersage auch Materialkenntnisse im Hinblick auf die Verarbeitung beinhaltet. Die Entwicklung immer präziserer Simulations- und Modellierungstools ermöglicht eine materialgerechte Bauteilauslegung und eröffnet weiteres Einsparungspotenzial. Das erfordert seitens der Materialhersteller aber die Erstellung umfassender Materialmodelle. Um komplexe Lastfälle bis hin zu Crashsimulationen durchführen zu können, bedarf es ständiger Weiterentwicklungen im Bereich der Materialcharakterisierung (Bild 5). Das statische und dynamische Verhalten, aber auch das Ermüdungsverhalten des Materials, muss über einen breiten Temperaturbereich bestimmt werden. Auch Verarbeitungseinflüsse wie Orientierungen, Bindenähte etc. sind zu berücksichtigen.

Neben dem Fahrzeuggewicht besteht auch bei der Klimatisierung von E-Fahrzeugen großes Potenzial für eine Steigerung der Energieeffizienz. Studien haben gezeigt, dass mehr als ein Drittel der Batterieladung für die Klimatisierung eines E-Autos verwendet wird. Verbesserungen im Temperaturmanagement von E-Fahrzeugen, etwa durch eine stärkere Isolation des Fahrzeuginnenraums, sind daher ein Schlüssel für mehr Reichweite.

Eine Möglichkeit dafür stellen PP-Schäume dar. Borealis hat dafür das langkettenverzweigte PP Daploy entwickelt. Es kombiniert hohe Schmelzesteifigkeit (High Melt Strength, HMS) und eine große Ausziehfähigkeit im geschmolzenen Zustand. Deshalb lassen sich daraus PP-Schäume mit niedriger Dichte herstellen. Neben der Gewichtsersparnis bieten diese Schäume die gewohnten Vorzüge von PP: eine hohe Temperaturbeständigkeit, ausgezeichnete chemische Beständigkeit und einfache Rezyklierbarkeit. Im Automobilsektor werden bereits Dachhimmel, Wasserdampfsperren in Türen und Luftführungskanäle und diverse andere Teile aus leichten PP-Schäumen hergestellt.

Eine Konzeptstudie für einen Luftführungskanal aus extrusionsblasgeformtem, geschäumtem PP zeigt, wie durch die Kombination von Verarbeitungsverfahren und den passenden Materialien Bauteilgewicht und Energieverbrauch gesenkt werden können (Bild 6). Die geschäumten Luftführungskanäle weisen im Vergleich zu Referenzmodellen ein um 20 bis 60 % geringeres Gewicht bei einer deutlich verbesserten akustischen und thermischen Isolationswirkung auf.

Gesamten CO2-Fußabdruck des Fahrzeugs berücksichtigen

PP-Compounds bieten vielfältige Möglichkeiten, die Energieeffizienz von Fahrzeugen zu verbessern. Die Reduktion des CO2-Ausstoßes ist aber nicht mehr ausreichend. Stattdessen muss die Energiebilanz von der Rohstoffgewinnung, Produktion, Nutzungsphase bis hin zur Wiederverwertung der Materialien am Ende des Fahrzeuglebens berücksichtigt werden. Der gesamte CO2-Fußabdruck des Fahrzeugs rückt immer stärker in den Fokus.

Einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes leisten recycelte Kunststoffe. Borealis hat deshalb Compounds aus Post-Consumer-Rezyklat (PCR) entwickelt. Die Materialien Borcycle ME2220SY, MD2550SY und MD3230SY enthalten z. B. zwischen 25 und 50 Gew.-% PCR-Anteil. PP-Compounds können helfen, eine effizientere Mobilität umzusetzen. Aufgrund geringer Dichte, einfacher Formgebung, niedrigen CO2-Fußabdrucks und vergleichsweise einfacher Rezyklierbarkeit reduzieren PP und PP-Compounds als Ersatz für andere Materialien häufig die emittierte Menge an Treibhausgasen.

Borealis AG  

https://www.borealisgroup.com

Ausgabenartikel

Bild 1. Das PP-Compound Daplen EE001AI besitzt trotz seiner geringen Materialdichte von 0,95 g/cm³ eine gute Kratzfestigkeit und Oberflächengüte. Deshalb setzt Skoda im Innenraum seines Scala auf das Material, etwa bei der Türverkleidung

Bild 2. Glasfaserverstärktes PP eignet sich als PA-Ersatz und kommt gegenwärtig etwa bei Front-End-Modulen aktueller Fahrzeugmodelle zum Einsatz

Bild 3. Vergleich der Biegesteifigkeit (E1/3/p) von Leichtbaumaterialien (Zahl in den Balken gibt die Dichte in g/cm3 an): Der Füllstoffgehalt beträgt bei den Kunststoffen 40 %

Bild 4. Die Mittel-konsole des Elektrofahrzeugs NIO ES8 besteht aus einem 20 Gew.-% carbon-faserverstärkten PP. Die komplexe Geometrie lässt sich mit Carbon- einfacher als mit Glasfasern umsetzen

Bild 5. Um Bauteile sinnvoll simulieren zu können, ist eine umfassende Materialcharakterisierung durch die Hersteller notwendig. Dafür sind Werkstoffprüfungen wie Zugversuchtests notwendig

Bild 6. Geschäumte Bauteile reduzieren das Gewicht und somit auch den Energieverbrauch der Fahrzeuge. Deshalb ist das Schäumen gerade für Elektrofahrzeuge eine interessante Option

Der chinesische Hersteller NIO setzt bei dem Elektro-SUV ES8 für den Mittelkonsolenträger carbonfaserverstärkte PP-Compounds ein 

Borealis - Hauptartikel

Georg Grestenberger ist Application Marketing Manager bei der Borealis AG;

<a href="mailto:georg.grestenberger@borealisgroup.com">georg.grestenberger@borealisgroup.com</a>

Markus Kralicek arbeitet als Business Development Manager für Borealis.