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

Automotive

Elektronik

Polypropylen-Compound

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Polypropylen

Werkzeugbau

Dienstleistungen

Werkzeug-, Formen- und Modellbau

Material und Produktion erfolgreich  anpasst

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

Elektromobilität

Mobilität

Kunststoffe

Photonik

Optik

Aluminium

Metall Werkstoffe

NE-Metalle

Polypropylen schlägt Aluminium

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

Standardkunststoffe

Wachsen durch technische Spezialitäten

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

Compound

Streifinger, Florian

Recycling

Umweltmanagement

Compoundeure

Handel

Biokunststoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Compoundieren

„Rezyklate zuzukaufen, wäre zu  gefährlich“

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

Kunststoffe, biobasiert

Schaumstoffe und Vorprodukte

Schaumstoffe

Kunststoffe, bioabbaubar

Mit geringerem CO2-Fußabdruck  servieren

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

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Kunststoff-Rezyklat

Vom Fischernetz zum Partikelschaum

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

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 

 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)

Aus Verpackungen werden Automobilbauteile

Der von der Golden Compound GmbH, Ladbergen, entwickelte Kunststoff-Compund S²PC ist  bis zu 70% mit  Sonnenblumenschalen gefüllt. Die verwendeten Hüllen sind ein Nebenprodukt der Sonnenblumkernproduktion und stehen damit laut Hersteller nicht in Konkurrenz mit der Nahrungskette. Zusätzliche Anbauflächen sollen ebenfalls nicht benötigt werden. Die Polymermatrix besteht aus Polypropylen (PP) und weist laut Hersteller eine ähnliche Schwindung auf wie gefüllte PP-Materialien auf. Der Standardtyp mit einem Faseranteil von 35% soll vergleichbare Eigenschaften wie PP mit 20% mineralischen Füllstoffen haben. 

Mit Sonnenblumenfasern verstärkt 

Additive

Fasern

Kunststoff-Compound S²PC 

Die Polykemi GmbH Deutschland, Hattingen, hat zusammen mit der Rondo Plast AB die Polypropylen (PP)-Compounds Rezycom PP RT414VT und PP RT418VT auf Rezyklatbasis entwickelt. Sie halten laut Hersteller den hohen Anforderungen an die Alterungsbeständigkeit der Automobilindustrie stand. Der Einsatz recycelter Kunststoffe und die abgestimmte Zugabe von Stabilisatoren soll Anwendern auch Kostenvorteile bringen, so der Hersteller. Die Produkte enthalten 20% bzw. 40% Talkum und weisen eine Alterungsbeständigkeit bei 150°C und 1000 Stunden auf. Die Compounds sind verfügen auch über eine hohe Fließfähigkeit.

Rezyklat mit robusten Eigenschaften 

Wiederaufbereitung

PP-Compounds Rezycom 

Die Borealis AG , Linz/Österreich, erweitert ihre Produktpalette an kohlefaserverstärkten Polypropylenen (PP) Fibremod um drei neue Werkstoffsorten:

CF-verstärkte Palette an Polypropylenen erweitert 

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Kohlenstofffasern / -matten

Leicht, aber nicht locker 

Hybridgarn-Textil-Thermoplast-Verbunde bieten ein enormes Potenzial für hoch integrierte Strukturbauteile mit zusätzlichen Funktionen, wie sie beispielsweise ein integriertes Sensornetzwerk darstellt. Die zur Herstellung benötigten Verfahren haben Wissenschaftler aus Dresden entwickelt und am Fahrzeugsystemträger FiF demonstriert. 

Funktionsintegrativer Leichtbau mit Hybridgarn-Textil-Thermoplast-Verbunden  

Kfz-Antriebsstrang

HV-Anwendungen / Hybridisierung / Elektrifizierung

Die vernetzte Karosserie 

In der Automobilindustrie werden viele spritzgegossene Kunststoffbauteile mit mehrschichtigen Lacksystemen überzogen. Nach entsprechender Vorbehandlung der Oberfläche wird mindestens eine Schicht Primer, eine Schicht Basislack und eine Schicht Klarlack aufgetragen. Ein neuartiges Polypropylen-Compound erfüllt nun alle technischen Kriterien auch ohne Applikation eines Primers und spart damit Zeit und Kosten. Dafür kommt es allerdings nicht allein auf das Material an. 

Polypropylen mit den richtigen Material- und Prozessparametern ohne Primer lackieren  

Lackiermaschinen für Kunststoff

Oberflächentechnik

Lackieren

Beschichten von Kunststoffen

Damit der Lack niemals ab ist 

Das hochkristalline  Polyfill PPH GF 5040 HC mit Glasfaseranteil (GF) der Polykemi GmbH Deutschland, Hattingen, kommt im Innenrahmen der Sonnenblende in der Mercedes C-Klasse zum Einsatz. Dafür kann die Stützstruktur des Rahmens nun aus einem Material gefertigt werden und nicht, wie sonst üblich, aus einer Kombination von Metall und Kunststoff. Laut Materialhersteller wurde dieses Produkt davor aus glasfaserverstärktem Polybutylennaphthalat (PBT) gefertigt. Der Ersatz durch PP soll Gewicht, Kosten und Zeit einsparen. 

In Sonnenblende der Mercedes C-Klasse 

PP-Leichtgewicht Polyfill PPH GF 5040 HC 

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  

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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 

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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.