Mit Thermoplasten lässt sich die Sicherheit, Leistung und Nachhaltigkeit von E-Autos verbessern. Ansatzpunkte dafür bestehen bei vielen Komponenten wie Batterie Cases, Sammelschienen, Kühlleitungen und Dichtungen. Sehr interessant ist es dabei, wenn Materiallieferanten Unterstützung in Form von CAE- und Spritzgießanalysen bieten können.

Bei den Batterien von Elektrofahrzeugen spielen Thermoplaste eine wichtige Rolle. Sie helfen etwa die Temperatur im optimalen Bereich zu halten für eine lange Lebensdauer und hohe Leistung der Batterien.

Mit den passenden Materialien die Leistung von Elektrofahrzeugen verbessern

Kfz-Elektronik

Elektronik

Elektromobilität

Mobilität

Polyamide

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Technische Kunststoffe

Elektrisch, umweltfreundlich,  thermoplastisch

Die Bedingungen in Elektrofahrzeugen stellen hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien. Automobilhersteller und Zulieferer müssen daher für Bauteile zu teuren Hochleistungskunststoffen greifen. Es gibt eine kostengünstige Alternative für viele Anwendungen.

Bild 2. Strahlenvernetzen lassen sich sowohl Standardpolymere, als auch technische Kunststoffe und Hochleistungspolymere. Behandelt werden können mit dem Verfahren die in grün hervorgehobenen Polymere.

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Hochleistungskunststoffe durch strahlenvernetzte günstigere Polymere ersetzen

Strahlenvernetzung

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Hochleistungskunststoffe

Elektronenbooster für Elektrofahrzeuge

Bei dem Bauteil handelt es sich um eine hybride Kunststoff-Metall-Konstruktion, die dem Kunststofferzeuger zufolge über die herkömmliche quadratische oder rechteckige Struktur von Frontend-Trägern hinausgeht.

Der Frontend-Träger für Fahrzeuge des chinesischen Herstellers Geely wird künftig aus einem PA 6 von Lanxess gefertigt.

Lanxess-PA für Frontend-Träger von Geely

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.

Es wird zunehmend enger im Motorraum moderner Fahrzeuge wie beispielsweise des aktuellen Golf 8. Dadurch erhöht sich die Wärmebelastung der verbauten Komponenten

Wärmeleitfähige Kunststoffe helfen bei der Entwärmung von Bordnetzkomponenten

Automotive

Abkühlung für Fahrzeugelektronik

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.

Motorradtank aus Durethan BC550Z 900116 DUSXBL: Das unverstärkte und schlagzäh modifizierte PA 6 wird zu zwei Halbschalen spritzgegossen, die durch Heizelementschweißen zum Tank gefügt werden

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

Hybridtechnik

Spritzgießen

Compound

Vibrationsschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Hybridwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Recycling

Umweltmanagement

Laserschweißen

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Laserauftragsschweißen

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Lasertechnik

Kunststofffasern

Verstärkungsstoffe

Kunststoff-Recycling

Verbesserungen bei Materialien und  der Verarbeitung

Die Covid-19-Pandemie hat auch die Kunststofferzeuger hart getroffen. Doch nicht alle Kunststoffe sind gleichermaßen betroffen. Während die häufig in der Automobilindustrie verwendeten technischen Kunststoffe unter dem Einbruch des Fahrzeugabsatzes leiden, profitieren etwa Polyolefine teilweise von der Krise. Und auch wenn die Pandemie gerade alle anderen Themen in den Hintergrund rückt, schreitet dennoch die Entwicklung etwa bei der Kreislaufwirtschaft, Elektromobilität und Digitalisierung weiterhin voran. Über die gegenwärtige Situation und die zukünftige Entwicklung sprach Kunststoffe mit Vertretern der Kunststofferzeuger.

Ein Austausch in Pandemiezeiten: Coronabedingt fand das Kunststoffe-Expertengespräch rein digital statt. Dr. Matthias Scheibitz (oben links), Jürgen Luderer (oben rechts), Dr. Ingo Sartorius (unten links), und Dr. Karlheinz Hausmann (unten rechts) diskutierten dabei über die aktuelle Situation und die zukünftigen Trends bei Kunststoffen

Expertengespräch zu Trends und Herausforderungen bei Werkstoffen

Polybutylenterephthalat

Verpackungsmaterial

Logistik

Polyethylen

Streifinger, Florian

Polyvinylchlorid

Standardkunststoffe

Polyethylenterephthalat

Kunststoff-Rezyklat

„Wir teilen den Optimismus von  Wirtschaftsminister Altmaier nicht“

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.

Nicht nur der Motor und die Energiebereitstellung verändern sich beim Übergang von Verbrennungs- auf Elektrofahrzeuge. Auch bei Materialien gilt es, neue Wege zu gehen 

Flammschutz, Wärmebeständigkeit und Kriechstromfestigkeit in Elektrofahrzeugen

Elektromotoren

Antriebe

Kunststoffe

Photonik

Optik

Elektronische Bauelemente

Leistungselektronik

Antreiber der Elektromobilität

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.

Ein 3-Punkt-Biegeversuch zeigte, dass die maximal notwendige Brucharbeit bei den Ultramid-XP-Typen die von vergleichbaren PA-6- und PA-66-Typen übersteigt 

Spezielle Polyamide 6 erreichen die Eigenschaften von Polyamid 66

Fahrzeugbau

Metallersatz durch verbesserte Polyamide

Der US-amerikanische Compoundeur Teknor Apex hat drei halogenfrei flammgeschützte, glasfaserverstärkte Polyamid-Compounds (PA) mit V-0-Klassifizierung vorgestellt.

Beispielanwendung Motorabdeckung in der Automobilindustrie

Faserverbundwerkstoffe

Glasfaserverstärkt und halogenfrei flammgeschützt

Die elektrische Architektur in Elektrofahrzeugen ist wesentlich anspruchsvoller als in konventionell angetriebenen Automobilen. Insbesondere bei der Isolierung von Hochvolt-Komponenten (HV) steigen die Anforderungen an die verwendeten Materialien. Mit speziell für Elektrofahrzeuge maßgeschneiderten Werkstoffen können Herausforderungen in der HV-Technologie im Automobil verwirklicht werden.

Die Isolierung von HV-Komponenten in Elektrofahrzeugen stellt hohe Ansprüche an die verwendeten Werkstoffe

Polyamid-Spezialitäten für die Elektromobilität

Hochspannung im Auto

Automobilbauteile aus Kunststoff gelten als schwer recycelbar. Ein Video gibt nun Einblicke in ein aktuelles Recyclingprojekt.

Radkappen und Airbags aus Polyamid werden von Radici zu Compounds aufbereitet

Kreislaufwirtschaft

Video zum Recycling von Automobilbauteilen

Hochwertige Oberflächen im Automobilinnenraum gewinnen aus Kundensicht immer mehr an Bedeutung. Asahi Kasei hat dafür die Leona-SG-Serie entwickelt. Der japanische Konzern stellt die teilaromatischen Polyamide (PA) dieses Jahr auf der Fakuma vor.

Im Automobilinnenraum sind Materialien mit guten mechanischen Eigenschaften gefragt, die gleichzeitig sehr hochwertige Oberflächen ermöglichen

Messe Fakuma

kunststoffe.de

Höhere Oberflächenqualität im Automobil-Interieur

Alternative Antriebe, autonomes Fahren und der Wunsch nach einer höheren Nachhaltigkeit wirken sich auf das Design von Automobilen aus. Auch der Innenraum der Fahrzeuge erfährt eine deutliche Veränderung. Instrumententafeln verwandeln sich in Entertainment-Einheiten und in Bildschirme für Videokonferenzen.

Das USB-Steckverbindersystem ermöglicht Platzeinsparungen von bis zu 60 %. Das verwendete PBT erlaubt enge Toleranzen unabhängig von den Umgebungsbedingungen.

Steckverbinder

Elektromechanik

PBT für USB-Steckverbinder

Die gewünschte Gewichtsreduzierung bei Fahrzeugen stellt nicht nur Automobilhersteller, sondern auch die Werkstoffproduzenten vor große Herausforderungen. Die verwendeten Materialien sollen nicht nur das Gewicht senken, sie müssen zudem auch den mechanischen und chemischen Belastungen standhalten.

Bild 4. Prüfstäbe nach Kontakt mit einer Calciumchloridlösung: An den grauen Stellen kam es zu Schäden. Die Stäbe aus den PA+PP-Blends weisen im Gegensatz zu denen aus PA keine Schäden auf.

Blends aus PP und PA senken das Gewicht und verbessern die Chemikalienbeständigkeit

Blend

Polypropylen

Zu zweit leichter

Lati hat ein Polyphthalamid (PPA) für den Einsatz in Automobilen, der Elektrotechnik und Elektronik, dem Energiemanagement und der Automatisierung entwickelt.

Das Polyamid 9T entstammt der Laramid-Familie von Lati und wurde für den Einsatz in Automobilen, der Elektrotechnik und Elektronik, dem Energiemanagement und der Automatisierung entwickelt.

PPA für den Dauergebrauch bei 160 °C

Crash-Absorber aus Polyamid für den Frontendträger der S-Klasse von Mercedes-Benz

Die meiste Energie bei einem Unfall wird von Metallteilen in den Fahrzeugen absorbiert. Bei der S-Klasse von Mercedes-Benz wurde nun erstmals ein zusätzlicher Crash-Absorber aus Polyamid (PA) im Frontend verbaut.

Die meiste Energie bei einem Unfall wird von Metallteilen in den Fahrzeugen absorbiert. Bei der S-Klasse von Mercedes-Benz wurde nun erstmals ein zusätzlicher Crash-Absorber aus Polyamid (PA) im Frontend verbaut. Dadurch konnte ein weiterer Lastpfad integriert werden, ohne die Masse des Fahrzeugs wesentlich zu erhöhen. Wichtig für die erfolgreiche Umsetzung war eine enge Kooperation zwischen den Projektpartnern und der Einsatz von passenden Simulationstools.

Sichere Fahrzeuge gewährleisten bei Unfällen nicht nur den Schutz der Insassen, sondern auch den Schutz des Unfallpartners. Letzterer hat seit Einführung des neuen „ADAC Kompatibilitäts-Crash“ ebenfalls Einzug in die Euro-NCAP-Prüfungen gefunden. Die aktuelle S-Klasse von Mercedes-Benz wurde deshalb unter anderem mit einem crash-optimierten Frontendträger aus glasfaserverstärktem Polyamid (PA) ausgestattet, um durch geschickte Funktionsintegration einen Beitrag dazu zu leisten.

Hintergrund der Einführung des Kompatibilitätslastfalls waren Analysen nach dem Aufeinandertreffen von zwei unterschiedlich hohen Fahrzeugen. In diesen Fällen sind die jeweiligen Crash-Management-Systeme (CMS) ungleich angeordnet und auch die Fahrzeuggewichte unterscheiden sich. Die Untersuchungen ergaben eine häufig inhomogene Energieabsorption mit Nachteilen für den kleineren Unfallpartner.

Crash-Absorber aus faserverstärktem Polyamid

Bessere Ergebnisse bei frontalen Zusammenstößen zwischen zwei Fahrzeugen lassen sich durch Frontendkonzepte erzielen, die eine möglichst großflächige Zone für eine homogene Energieabsorption bieten (Bild 1). Wichtig ist dabei eine intelligente Bauraumausnutzung durch Funktionsintegration, um den verfügbaren Raum, der etwa durch Sensortechnik und weitere Peripheriegeräte begrenzt wird, bestmöglich zu nutzen. Damit die Verwendbarkeit in der Praxis gewährleistet ist, muss das Projektumfeld einbezogen werden. Um Komponenten innerhalb der Entwicklungszyklen funktionsgerecht und sicher auslegen zu können, ist die computerunterstützte Vorhersagbarkeit (CAE) eine wichtige Komponente.

Kunststoff-Crash-Absorber übernehmen als wichtiger Bestandteil des Frontmoduls zahlreiche Aufgaben im Fahrzeugvorbau. Dazu zählen, neben der generellen Erzeugung eines stabilen und maßlich genauen Verbunds zu den angrenzenden Schnittstellenkomponenten wie Kühlerbrücke und Biegequerträger, ebenso die Integration der Motorhaubenschlösser, die Bereitstellung von Scheinwerferanbindungspunkten sowie Möglichkeiten zur gezielten Lastablage des Stoßfängers. Das Ziel der Entwicklung bestand maßgeblich darin, die Bauteilauslegung so zu gestalten, dass sie zusätzlich einen homogenen Energieabbau in dem begrenzten Bauraum der Fahrzeugfront unterstützt.

Nutzung von Kunststoff bisher  ausgeschlossen

Bisher war die Nutzung von Kunststoffbauteilen für Crash-Anforderungen im Automobilbau – unter anderem aus Sicherheitsaspekten – weitestgehend ausgeschlossen. Durch die Verwendung eines glasfaserverstärkten PA (PA-6-GF30, Typ: Ultramid B3WG6, Hersteller: BASF) in Kombination mit der dazugehörigen Modellierung in der Software Ultrasim von BASF ist der Einsatz von Kunststoff für den Crash-Absorber nun möglich (Bild 2). Die Erarbeitung der Einsatzmöglichkeit dieser Lösung im Rahmen eines Fahrzeugprojekts erfolgte in einer Kooperation zwischen Mercedes-Benz, BASF und dem Systemlieferanten HBPO mit der Entwicklung des Frontendmoduls der S-Klasse.

Die Entwicklung energieabsorbierender Strukturen aus PA mithilfe des Software-Tools Ultrasim hat diverse Anforderungen und Herausforderungen.

<ul><li>kontrolliertes Versagen</li><li>robustes Verhalten</li><li>einstellbare Kraftverläufe</li><li>einstellbare Energieniveaus</li></ul>

<ul><li>numerische Vorhersagbarkeit des Versagens mit zuverlässigem Materialmodell</li><li>integrierte Klimavarianz (Temperatur und Feuchtigkeit)</li><li>herstellbares Design (Spritzgießen)</li></ul>

Im Kern basiert die Entwicklung auf der Kopplung der FEM-Software LS-Dyna mit Ultrasim. Ultrasim ist in der Lage, die für thermoplastische Werkstoffe charakteristischen Eigenschaften allesamt in einem einzigen numerischen Ansatz zu berücksichtigen. Wichtige Größen sind etwa:

<ul><li>Anisotropie: induziert durch Verwendung fasergefüllter Werkstoffe</li><li>Dehnrate: wichtig bei crash-belasteten Bauteilen</li><li>Versagensverhalten: Kunststoff verhält sich dabei völlig anders als Metall.</li><li>Zug-Druck-Asymmetrie: in Festigkeit und beim Versagen</li><li>Temperatur: nichtlinear über den Glasübergang</li><li>Feuchte: insbesondere relevant bei auf PA basierenden Werkstoffen</li></ul>

Die in Ultrasim realisierten Materialmodelle haben sich in zahlreichen Bauteilentwicklungen bewährt und gestatten auch beim vorliegenden Crash-Element die Bewertung von Robustheit und kontrolliertem Versagen (Bild 3). Insbesondere die Vorhersage der auftretenden Kräfte im Crash-Element, der dissipierten Energie und der auf die Reststruktur einwirkenden Belastungen sind wertvolle Erkenntnisse, die eine simulative Gesamtfahrzeugauslegung mit Kunststoffelementen ermöglichen. Unabdingbar ist dabei die simultane und abgestimmte Verwendung von Ultrasim bei allen, an der Entwicklung beteiligten Parteien: OEM, Tier 1 und Materiallieferant (Bild 4).

Neben der numerischen Abbildung ist die richtige Wahl der Bauteilgeometrie ein ebenso wichtiger Aspekt. Kaum ein rein thermoplastisches, kurzfaserverstärktes Bauteil ist in der Hauptfunktion für eine kontrollierte Energieaufnahme ausgelegt. Die Gestaltungsrichtlinien für diese komplexe Art der Belastung wurden sowohl in Vorstudien bei BASF ermittelt und mit Bauteil-Crash-Tests validiert, als auch bei der Entwicklung erster Prototypen verfeinert, um die Crash-Elemente für den engen Bauraum zu optimieren. Daneben wurde durch begleitende rheologische Füllstudien stets die Herstellbarkeit im Spritzgießprozess sichergestellt. Mercedes-Benz konnte in ersten Crash-Versuchen mit realen Fahrzeugen die Wirksamkeit des neuen Bauteils bestätigen.

Die Crash-Absorber sind bereits im Praxiseinsatz

Die entwickelten Materialmodelle und Berechnungsmethoden lassen sich außerdem auch auf andere Belastungszonen im Fahrzeug anwenden. Denkbar ist zum Beispiel die Verwendung im Batterieschutz. In Summe erschließt diese Technologie ein hohes, vielfältiges Potenzial an Funktionsintegration und eine Möglichkeit zur frühzeitigen, rechnerischen Absicherung von Kunststoffstrukturbauteilen.

Die crash-optimierten Frontendträger aus glasfaserverstärktem PA werden bereits in der 2020 eingeführten aktuellen S-Klasse verbaut. Der Einsatz ist in weiteren Baureihen vorgesehen.

BASF SE  

https://www.basf.com

Mercedes Benz Cars  

Ausgabenartikel KU03-22

Für das Sicherheitskonzept im Frontend der aktuellen S-Klasse setzt Mercedes-Benz unter anderem auf einen Crash-Absorber aus Polyamid. 

Bild 1. Exemplarische Darstellung des betreffenden Belastungsbereichs auf Basis der Vorgängerbaureihe: Für einen möglichst guten Schutz anderer Unfallpartner sollte eine möglichst große Fläche für die Energieabsorption zur Verfügung stehen. 

Bild 3. Der Vergleich der Simulationsberechnungen und der Fallturmuntersuchungen verdeutlicht die gute Vorhersagekraft der Simulation.

Bild 2. Der Crash-Absorber (Bauteil mit dreieckigen Strukturen in der Bildmitte) besteht aus glasfaserverstärktem PA 6. Er unterstützt bei der Erfüllung von Sicherheitsaspekten und übernimmt weitere wichtige Aufgaben wie die Integration von Motorhaubenschlössern und die Bereitstellung von Scheinwerferanbindungspunkten.

Bild 4. Für eine erfolgreiche Zusammenarbeit der Entwicklungspartner ist die simultane Verwendung der Simulationssoftware entscheidend.

KU 3-22_BASF - Hauptartikel

Dipl.-Ing. Holger Klink ist Senior Expert im Technical Development Transportation bei BASF; <a href="mailto:holger.klink@basf.com">holger.klink@basf.com</a> Dr. Robin Kaiser ist Entwicklungsingenieur für Exterieur Anbauteile bei Mercedes-Benz; <a href="mailto:robin.kaiser@mercedes-benz.com">robin.kaiser@mercedes-benz.com</a>