Elektro- und Elektronikhersteller möchten die Treibhausgasemissionen ihrer Produkte senken und das Abfallmanagement und Recycling für diese optimieren. Erreichen lässt sich das unter anderem durch den Einsatz nachhaltigerer Thermoplaste und qualitätsgesicherter Rezyklate. Wichtig sind außerdem enge Kooperationen zwischen Unternehmen zum Aufbau von Stoffkreisläufen und ein recyclinggerechtes Design von Geräten.

Mit Polymeren Nachhaltigkeitstrends in der Elektro- und Elektronikindustrie gestalten

Elektronik

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff Werkstoffe

Technische Kunststoffe

Thermoplaste

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Polycarbonat

Kunststoff-Rezyklat

Kreislaufwirtschaft

Hilfe für eine grünere E&E-Welt

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.

Im Exterieur von Fahrzeugen kommen häufig Styrol-Copolymere zum Einsatz. Der chinesische Hersteller Lixiang verwendet etwa ein ASA für den Kühlergrill seiner Elektrofahrzeuge 

Styrol-Copolymerisate: Durch ansprechende Optik und mögliche Transparenz punkten

Verpackungsmaterial

Logistik

Automotive

Polystyrol

Styrol-Copolymerisate

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Medizintechnik

Medizinprodukte

Vielfältig in Form und Anwendung

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.

Mit dem DC-Verfahren lassen sich edel aussehende Bauteile mit integrierten Sensoren und Lichtelementen einfacher und schneller herstellen

Direct Coating mit Polyurethan-Beschichtungen eröffnet Design- und Funktionsoptionen

Oberflächentechnik

Polyurethan

Hohe Produktivität für smarte Bauteile

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

Polyamide

Laserschweißen

Laserauftragsschweißen

Laserbearbeitungen

Lasertechnik

Kunststofffasern

Verstärkungsstoffe

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

Polyethylen

Streifinger, Florian

Polyvinylchlorid

Standardkunststoffe

Polyethylenterephthalat

„Wir teilen den Optimismus von  Wirtschaftsminister Altmaier nicht“

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.

Kfz-Elektronik

Steckverbinder

Elektromechanik

PBT für USB-Steckverbinder

Die Umsetzung von Serienanwendungen im Lasersintern wird gegenwärtig noch durch eine unzureichende Materialvielfalt gehemmt. Viele wichtige Konstruktionswerkstoffe aus der traditionellen Kunststoffverarbeitung waren für das Verfahren bisher nur eingeschränkt verfügbar. PA 66 und PBT erweitern das Einsatzgebiet des Lasersinterns erheblich und zeigen in vielen Fällen bessere Eigenschaften als klassische PA-11- und PA-12-Materialien.

Als temperaturbeständiger und flammwidriger Werkstoff mit hohen mechanischen Kennwerten eröffnet PA 66 neue Applikationsmöglichkeiten für das Lasersintern, wie beispielsweise die Anwendung als Sensorhalterung 

Lasersintern mit PA 66 und PBT

Selektives Lasersintern von Kunststoff, Metall, Keramik

Verfahren für die additive Fertigung

Pulverbettverfahren

Additive Fertigung

Vom Spritzgießen in den 3D-Druck

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

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.

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

Großflächige gebogene Kunststoffblenden mit integrierten Displays

Kunststoffe

Photonik

Optik

HMI, Bedienelemente, Displays

Display im Automobil

Thermoformanlagen

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Warmformen / Thermoformen

Formsache Automobildisplay

PTFE gilt als schwer zu recyceln. Für die speziellen Verarbeitungsverfahren des Polymers müssen die Rezyklate in aufwendigen Prozessen zerkleinert werden, damit sie annähernd die gleiche Korngröße besitzen wie Neuware. Werden diese Besonderheiten berücksichtigt, erreichen Rezyklate jedoch die Qualität von Neuware oder übertreffen diese sogar.

Im Gegensatz zu den meisten anderen Thermoplasten können bei PTFE nicht einfach Flakes der Neuware zugemischt werden (v. l. n. r. Original-Pulvermischung, Späne, zerkleinerte Späne, Mahlgut)

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Wie sich PTFE erfolgreich recyceln lässt

Fluorkunststoffe

Hochleistungskunststoffe

Auf die Korngröße kommt es an

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.

Hochleistungskunststoffe durch strahlenvernetzte günstigere Polymere ersetzen

Elektromobilität

Mobilität

Strahlenvernetzung

Elektronenbooster für Elektrofahrzeuge

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

Compounds aus recycelten Kunststoffen, etwa aus PET-Flaschen, sind auf der Fakuma bei Barlog Plastics zu sehen. Außerdem stellt das Unternehmen Kunststoffe speziell für die Elektromobilität vor.

Für das Thermomanagement von Batterien in Elektrofahrzeugen bietet Barlog wärmeleitfähige Compounds an.

Nachhaltige Compounds aus technischen Kunststoffen

Thermoplastische Kunststoffgemische mit integrierter EMI-Abschirmung stellen nicht nur die EMV sicher, sondern erhöhen auch die Designfreiheit und reduzieren Nachbearbeitungsschritte.

REM-Analysen zur Darstellung schlecht (oben) und gut (unten) verteilter leitfähiger Fasern in Spritzgussteilen aus Polycarbonat. Durch entsprechende Verarbeitungsparameter und Spritzgießmaschinen kann die Verteilung optimiert werden 

Spezielle Compounds stellen die EMV drahtloser Geräte sicher

Gut geschützt gegen EMI

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

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

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.

Bereits im Verlauf des Jahres 2018 kühlte die hohe Nachfrage nach Polycarbonat (PC) im Vergleich zu den guten Vorjahren spürbar ab. 2019 verstärkte sich der Trend. Das Marktvolumen einschließlich des PC-Anteils für Blends stieg von 4,5 Mio. t im Jahr 2018 im Folgejahr 2019 nur leicht an und bewegte sich spürbar unterhalb des sonst üblichen jährlichen Wachstums. Das Preisniveau sank deutlich und führte zu rückläufigen Margen in der PC-Industrie. Gründe dafür waren u. a. der höhere Wettbewerbsdruck sowie wirtschaftliche und geopolitische Unsicherheiten wie die schwächelnde Konjunktur in China und dem Rest der Welt, die Krise der Automobilindustrie und der chinesisch-amerikanische Handelskonflikt.

Anfang 2020 ließ die Corona-Pandemie die Nachfrage nach PC sukzessive in Asien, Europa und den USA einbrechen. Fast alle globalen Automobilproduzenten stellten etwa vorübergehend ihre Fertigung ein. Die PC-Hersteller drosselten daraufhin ihre Produktion. Abgemildert wurde der Nachfragerückgang durch einen höheren PC-Bedarf in der Medizin-, Bau-, Elektro-, Elektronik- und Haushaltsgeräteindustrie. Außerdem füllen viele Händler ihre Lager mit PC auf, um sich für die Zeit nach der Pandemie eine gute Startposition zu verschaffen.

Hälfte der Kapazitäten in China bis 2025

Die Covestro AG, Leverkusen, geht davon aus, dass die globale Nachfrage nach PC trotz der aktuellen Situation mittelfristig um ca. 4 % pro Jahr zulegen wird. Erwartet wird ein Anstieg der weltweiten Kapazitäten in den kommenden zehn Jahren von 5,5 Mio. t in 2019 auf nahezu 9 Mio. t. Antrieb dafür ist vor allem der überproportional steigende PC-Bedarf in China, das daher im Zentrum des Kapazitätsausbaus steht. Beteiligt sind daran etablierte, global aufgestellte PC-Hersteller wie Covestro oder Sabic, Riad/Saudi-Arabien, lokale Produzenten wie Luxi Chemical, Liaocheng City/China, und Wanhua Chemicals, Yantai/China, und eine wachsende Zahl lokaler Neueinsteiger wie Zhejiang Petroleum and Chemical, Zhoushan/China.

Sollte der derzeit angekündigte Kapazitätsausbau stattfinden, würden in China ab 2025 rund 50 % der globalen Kapazitäten installiert sein. Ein massiver Zuwachs gegenüber 2019, wo dort nur 25 % der globalen Kapazitäten standen. Allerdings könnte sich der Ausbau mittel- bis langfristig verlangsamen, da die chinesische Regierung PC Anfang 2020 vom staatlichen Leitfaden zur Umstrukturierung der Industrie (Guidance Catalogue of Industry Restructure) gestrichen hat. Investitionen in lokale PC-Anlagen werden nicht mehr bevorzugt gefördert. Einige chinesische Hersteller haben deshalb geplante Kapazitätserhöhungen zurückgenommen oder verschoben. Luxi Chemical hat z. B. ein in Liaocheng geplantes Großprojekt mit einer Kapazität von 1 Mio. t/a gestoppt.

Trotz der großen lokalen Kapazitäten hat China 2019 ca. 1,6 Mio. t PC importiert. Dem standen Exporte von nur etwa 260 000 t gegenüber – im Vergleich zum Vorjahr eine Steigerung von ca. 12 %. Das gemessen an den lokal installierten Kapazitäten hohe Importvolumen hat mehrere Gründe. Für einige lokale Hersteller ist z. B. eine Vollauslastung ihrer neuen Anlagen noch ungewohnt. Außerdem besteht ein hoher Bedarf an speziellen PC- und PC-Blend-Typen, die noch nicht lokal produziert werden. Dennoch wandelt sich das Reich der Mitte voraussichtlich in wenigen Jahren zu einem großen PC-Nettoexporteur, was das globale Handelsgefüge deutlich verändern wird. Die stark wachsende Bedeutung Chinas im Kunststoff-Weltmarkt zeigt sich auch daran, dass sich vermehrt chinesische Compoundeure in Überseemärkten engagieren. Sie konzentrieren sich oftmals auf das Geschäft mit der Automobilindustrie. Aber auch japanische und vor allem koreanische Marktteilnehmer werden in Europa und den USA aktiver.

Neben der wachsenden Bedeutung von China und Asien wird die Ausrichtung auf eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft die Kunststoffindustrie und damit die PC-Branche in den kommenden Jahren markant prägen. Ziele sind dabei u. a. der Fokus auf langlebige und wiederverwendbare Produkte, nachhaltige Rohstoffquellen und die Vermeidung von Abfällen. Covestro arbeitet mit einem langfristigen Programm am Aufbau von Stoffkreisläufen und möchte damit auch neue geschäftliche Möglichkeiten entlang der gesamten Wertschöpfungskette seiner Produkte erschließen. Das Unternehmen kooperiert dazu global mit vielen Partnern. Es hat etwa kürzlich eine Zusammenarbeit mit Neste, Espoo/Finnland, gestartet. Sie zielt darauf ab, mehrere tausend Tonnen fossiler Rohstoffe zur Herstellung von PC durch Rohstoffe zu ersetzen, die mit überwiegend biobasierten Kohlenwasserstoffen synthetisiert werden. Letztere stammen vollständig aus erneuerbaren Quellen wie Alt- und Rückstandsölen und -fetten. Die nachhaltigeren Rohstoffe werden als Drop-in-Ersatz in die bestehende PC-Produktion eingespeist. Die resultierenden PC-Produkte haben die gleiche Qualität wie Neuware und können daher von Verarbeitern in bestehenden Verfahren direkt eingesetzt werden.

Aktuelles Beispiel für einen Wertstoffkreislauf auf Basis gebrauchter Kunststoffe ist die Wiederverwertung von PC aus 5-Gallonen-Wasserflaschen (entspricht 19 l) im Rahmen einer Zusammenarbeit mit zwei chinesischen Firmen, dem Getränkeproduzenten Nongfu Spring, Hangzhou, und dem Recyclingbetrieb Ausell. Das wiedergewonnene, sortenreine PC hat eine konstant hohe Qualität und wird von Covestro mit Neuware zu hochwertigen Post-Consumer-Rezyklaten (PCR) auf Basis von PC und PC-Blends verarbeitet. Diese sind z. B. in der Elektro- und Elektronikindustrie sehr gefragt, weil sie Branchenstandards wie das Ecolabel „Blauer Engel“ oder das Umweltsiegel „EPEAT“ erfüllen. Auch für die Automobilindustrie ist das Material geeignet, etwa als Blends aus PC und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) für das Autointerieur.

Überwiegend biobasierte Rohstoffe leisten in der Kunststoffherstellung ebenfalls einen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft und helfen, den CO2-Fußabdruck der Kunststoffe und daraus hergestellter Produkte zu reduzieren. Covestro hat etwa kürzlich mit Makrofol EC eine teilweise biobasierte PC-Folie vorgestellt, deren Kohlenstoffgehalt zu mehr als 50 % aus Stärke und somit aus pflanzlicher Biomasse stammt. Sie hat ähnlich gute Eigenschaften wie vergleichbare Standard-PC-Folien und zeichnet sich durch eine verbesserte Chemikalien- und Witterungsbeständigkeit sowie hohe Abriebfestigkeit aus. Potenzielle Anwendungen sind Labels, Gerätegehäuse, 3D-Verpackungen und Bedien- und Dekorleisten.

Außer der Kreislaufwirtschaft werden auch endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe (CFRTP, Continuous Fiber-reinforced Thermoplastic Polymers) mit PC-Matrix künftig eine wichtigere Rolle spielen. Die Tapes oder plattenförmigen Halbzeuge weisen bei sehr niedrigem Gewicht eine hohe Festigkeit und Steifigkeit von bis zu 100 GPa auf. Aufgrund dieser Eigenschaften sind sie im konstruktiven Leichtbau bei engen Bauräumen eine gute Alternative zu Metallen wie Stahlblech oder Druckgussaluminium. Zahlreiche automatisierte Verfahren stehen zu ihrer wirtschaftlichen Verarbeitung in Großserie zur Verfügung, etwa das automatische Tape-Legen (ATL), die automatische Faserpositionierung (AFP) oder das Hybrid Molding. Letzteres integriert das Umformen der Composites in das Spritzgießen, was die direkte Funktionalisierung eines Bauteils etwa mit Befestigungselementen, Führungen und Aufnahmen ermöglicht. Komplexe Bauteile können dadurch in einem One-Shot-Prozess gefertigt werden.

Als thermoplastische Systeme sind die PC-basierten CFRTP gut rezyklierbar, was sie zusammen mit ihrem Leichtbaupotenzial besonders nachhaltig macht. Im Gegensatz zu den meisten CFRTP mit anderer Matrix sind mit ihnen auch hochbelastbaren Leichtbauteile in hochwertigem und ästhetischem Design umsetzbar. Das liegt an der Transparenz von PC, der hohen Oberflächenqualität von PC-Bauteilen (Class A) und dem großen Spielraum zur Beschichtung und Oberflächengestaltung. Mit glasartigen Effektlacken lässt sich z. B. der von den Fasern herrührende Carbonlook betonen. Auch Narbungen bis hin zu textilen Optiken sind umsetzbar. Die Oberflächen können außerdem mittels In-Mold-Coating mit kratzfesten Polyurethan-Hardcoats (PUR) oder selbstheilenden PUR-Lacken beschichtet werden. Das Einsatzspektrum von CFRTP mit PC-Matrix erstreckt sich vom Fahrzeug- und Maschinenbau über die Elektro-, Elektronik- und Konsumgüterindustrie bis hin zur Herstellung von Sport- und Freizeitmode.

Welche Chancen PC-basierte CFRTP in puncto Leichtbau, Fertigungseffizienz, Design und Nachhaltigkeit eröffnen, zeigt der ENO.146, ein elektrisches Konzeptfahrzeug des chinesischen Automobilherstellers Guangzhou Automobile Group. Die Rückenlehnen der beiden Vordersitze des Fahrzeugs bestehen aus den auf PC beruhenden CFRTP Maezio von Covestro (Bild 1).

Im Vergleich zu typischen Metallkonstruktionen ist die Verbundstoff-Sitzlehne um bis zu 50 % leichter. Die Gewichtseinsparung ist besonders groß, da sie bei einem der schwersten Teile des Automobilinnenraums erzielt wird. Durch die Verarbeitung im Spritzgießprozess können bei der Formgebung der Rückenlehnen funktionale Strukturen eingearbeitet werden, was die Anzahl der Bauteile und Werkstoffe reduziert und damit die Produktions- und Montagekomplexität verringert. Das Design des Fahrzeuginnenraums des ENO.146 bildet das Ambiente eines Sees mit Lotusblumen nach. Die Rückenlehne passt sich mit ihrer natürlichen Optik und Haptik diesem Design an und vermittelt eine hohe Ästhetik. Sie ist außerdem zu Spritzgieß-Compounds rezyklierbar.

Der Automobilinnenraum wird künftig stark vom Trend hin zu autonom fahrenden Fahrzeugen geprägt sein. Er verwandelt sich in einen multifunktionalen Raum mit einer Vielzahl an großen, fugenlos in ihre Umgebung eingebetteten 3D-Displays (Bild 2), in die zahlreiche Elemente wie z. B. Ambientelicht-, Touch- und Bedienfunktionen sowie haptische Effekte integriert sind. Dadurch steigt die Anzahl der Aufgaben, die 3D-Displays und ihre Abdeckungen erfüllen müssen.

PC eignet sich besonders zur Konstruktion solcher Displays, weil es im Vergleich etwa zu Glas über größere Formgebungsfreiheiten verfügt, zahlreiche Möglichkeiten zum Design der Oberflächen in puncto Farbe und Struktur bietet und im Falle eines Crashs bruchsicher ist. Zudem stehen verschiedene Fertigungsverfahren bereit, die großes Potenzial zur kostensenkenden Integration von Funktionen haben. Mit dem Film-Insert-Molding-Verfahren (FIM) lassen sich mit speziell additivierten und beschichteten Folien die Display-Oberflächen kratz- und abriebfest, UV-beständig und unempfindlich gegen Medien wie Hautcremes machen. Die Folien können dabei leitfähig auf der Rückseite bedruckt werden, um Multi-Touch- und andere elektronische Funktionen in das Display zu integrieren. Mithilfe des Spritzprägeverfahrens lassen sich besonders große Display-Abdeckungen mit hoher Transparenz fertigen, deren Doppelbrechung reduziert ist, so dass der Passagier ein sehr scharfes Bild sieht. Für solche hochintegrierte, große 3D-Displays hat Covestro etwa die Makrolon-Ai-Reihe entwickelt, die die Umsetzung hochglänzender Oberflächen mit hoher optischer Reinheit ermöglicht, und die verformbaren, UV-härtenden Folien der Makrofol-HF-Reihe, die u. a. für großflächige Bauteile mit Tiefenglanz konzipiert sind.

Auch das Äußere von Fahrzeugen verändert sich. Bei Elektrofahrzeugen ist etwa der klassische Kühlergrill mit Luftzufuhr für den Motor überflüssig. Die Fahrzeugfront entwickelt sich dadurch zu einem prägenden Designelement mit neuen Funktionen, die sich teilweise auch durch das autonome Fahren ergeben.

Das FIM-Verfahren mit PC-Folien und -Compounds hat in der Gestaltung und Konstruktion von fugenlosen, großflächigen 3D-Frontmodulen großes Potenzial, weil es die wirtschaftliche Integration von Dekorelementen und zahlreicher Funktionen besonders zum Fußgänger- und Insassenschutz erleichtert. Dazu zählen metallisierte und glasartige Oberflächen, hochauflösende Infrarotlicht-Laserscanner (IR) für das autonome Fahren (LiDAR-Sensoren), Ambiente-Lichtelemente in Black-Panel-Technik, Reinigungssprühdüsen und Displayelemente zur Kommunikation z. B. mit Fußgängern. Zur Integration von Lidar-Sensoren hat Covestro die schwarzen, im sichtbaren Wellenlängenbereich nicht transparenten Folien und Compounds Makrofol ST und Makrolon ST entwickelt. Sie weisen eine hohe Transmission für das IR-Licht der Sensoren auf und sind auf die FIM-Verarbeitung abgestimmt.

Beispiel eines von Covestro auf Basis von PC entwickelten Frontmodulkonzepts ist das „5D-FIM-Design“ (Titelbild). Es kombiniert eine spritzgegossene 3D-Unterstruktur mit einer 2D-Deckfolie, die etwa mit einem mehrdimensional wirkenden, farbigen Dekor bedruckt werden kann. Sensoren, leuchtende Logos und Fade-out-Effekte sind ebenso integrierbar wie eine Defrosterfunktion. Zukünftig geplant ist die Folie zusätzlich zu verformen und diese Verformung in den Spritzgießprozess zu integrieren (FIM-One-Step-Verfahren).

Großes Einsatzpotenzial haben PC und vor allem seine Blends mit ABS auch in Li-Ionen-Batterien von Elektrofahrzeugen. Dort werden sie etwa für Bauteile wie Zellhalter, Endplatten, Modulwände, Abdeckungen, Spacer, Rahmen für Pouch-Zellen und Crash-Absorber verwendet. Gefragte Materialeigenschaften sind dabei eine hohe Dimensionsstabilität, Kälteschlagzähigkeit und Brandwidrigkeit (UL 94 V-0) sowie elektrische Eigenschaften wie hohe Kriechstromfestigkeit und gute Wärmeleitfähigkeiten.

Die Batterieentwickler setzen auch wegen der großen Formgebungsfreiheiten und des in der Massenproduktion kostengünstigen Spritzgießens auf Thermoplaste wie PC. Denn entscheidend für den Durchbruch der Li-Ionen-Batterie im Fahrzeugantrieb ist neben einer langen Lebensdauer, Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit ihre automatisierte Massenherstellung bei niedrigen Kosten. Dass sich dafür PC-Compounds zusammen mit anderen Werkstoffen eignen, demonstriert eine Entwicklung der Henkel AG & Co. KGaA, Düsseldorf, und Covestro. Zylindrische Li-Ionen-Zellen werden mit dem einkomponentigen, per UV-Licht schnell aushärtenden Acrylklebstoff Loctite in einem Träger aus dem flammgeschützten PC+ABS-Blend Bayblend FR3040 EV in Zykluszeiten von nur 5 s formstabil befestigt (Bild 3). Die Aushärtezeiten der konventionellen Fertigung liegen dagegen meist bei mehreren Minuten bis Stunden.

Wie die Elektromobilität entwickelt sich auch die zugehörige Ladeinfrastruktur zu einem Wachstumsmarkt. In fast allen kommerziellen und häuslichen Ladestationen sind inzwischen Bauteile aus technischen Thermoplasten wie PC zu finden. Typische Anwendungen von PC sind dabei Gehäuse, technische Komponenten und Strukturbauteile wie etwa Frontblenden, Abdeckungen, Ladebuchsen oder Steckerhalter. Covestro hat für Ladestationen eine breite Palette an PC- und PC-Blendtypen entwickelt. Sie sind flammhemmend additiviert und bestehen den UL 94-Flammschutztest bei dünnen Wanddicken meist mit der besten Klassifizierung V-0. Für Ladestationen, auf die im Außeneinsatz UV-Licht und Wasser einwirken, stehen Compounds mit UL-f1Listung zur Verfügung. Die hohe Schlagzähigkeit von PC macht die Bauteile dauerhaft funktionssicher und robust gegen Vandalismus. Die Transparenz und gute Einfärbbarkeit von PC erleichtern die Integration z. B. von farbigen LED-Kontrollleuchten. Materialbeispiele aus dem Serieneinsatz sind Makrolon 6487 und 6557. ChargePoint, Campbell/California/USA, nutzt diese PC-Typen in seinen Level-2-Ladestationen u. a. für Steckerholster bzw. Frontblenden.

Im Fahrzeuginterieur, aber auch in der Elektronik oder in Haushaltsgeräten steigt der Bedarf an spritzgegossenen elektronischen 3D-Strukturbauteilen, die sehr leicht, dünn, hochintegriert und -funktional sind und mehrteilige, platzraubende Aufbauten ersetzen. Eine Möglichkeit, diese nahtlosen Kleinstbauteile wirtschaftlich herzustellen, ist die IMSE-Technologie (Injection Molded Structural Electronics). PC-Folien und -Compounds haben in diesem Verfahren des finnischen Unternehmens TactoTek, Oulunsalo, in Kombination mit der FIM-Technik große Chancen. Dadurch sind mit den Folien multifunktionale Oberflächen umsetzbar. Sie können auf der später überspritzten Seite mit Schaltbildern zur Integration von kapazitiven Bedienflächen etwa für LED sowie mit Dekorelementen bedruckt werden. Die PC-Compounds dienen als FIM-Hinterspritzmaterial zum Aufbau geometrisch komplexer Strukturen, tragen Funktionen wie LED und stabilisieren das Gesamtbauteil. Ihre hohe Transparenz sorgt im Falle integrierter LED für geringe Lichtverluste.

Die 5G-Technologie ist derzeit einer der wichtigsten Innovationstreiber in der Vernetzung aller Lebens- und Wirtschaftsbereiche hin zum Internet of Things (IoT). Die enge Verbindung von Geräten wie Mobiltelefonen, Fahrzeugen, Haushaltsgeräten und Industrieanlagen erfordert im Innen- wie Außenbereich eine Vielzahl von Basisstationen mit Antennen. Zahlreiche PC-Hersteller arbeiten inzwischen an Materiallösungen für die Gehäuse dieser sogenannten Small Cells und Antennen, weil PC und seine Blends das Anforderungsprofil gut erfüllen. PC ist z. B. auch bei hohen Übertragungsraten für Funkfrequenzen von bis zu 50 GHz durchgängig. Es ist robust, leicht, hitzestabil, kältezäh und wirtschaftlich in hohen Stückzahlen im Spritzgießen verarbeitbar. Je nach Additivierung verhält es sich wärmeleitend und ist witterungs- und UV-beständig. Es lässt sich zu 3D-Schaltungsträgern spritzgießen und dabei per Laserdirektstrukturierung mit hoch aufgelösten Schaltungsbildern versehen.

Small Cells und Antennen werden künftig allgegenwärtig sein. Neben der Funktionalität ist deshalb auch ein ansprechendes Design sehr wichtig. Covestro, die Deutsche Telekom AG, Bonn, und das schwedische Umeå Institute for Design der Universität Umeå haben deshalb kürzlich in einem Pilotprojekt Kreativentwürfe für die Gehäuse von Basisstationen und Antennen auf Basis des PC Makrolon entwickelt (Bild 4). Ein besonders gelungener Vorschlag hat die Gestalt eines Vogels und kann z. B. auf Straßenlaternen angebracht werden.

Auch in der Medizintechnik wird PC für verschiedene Anwendungen verwendet. Die Materialentwicklung wird von dem zunehmenden Einsatz von Wearables und dem Trend zur Selbstmedikation geprägt. Die Systeme zur Selbstmedikation, auch Drug Delivery Devices genannt, müssen bei geringem Krafteinsatz funktionieren und präzise dosieren. Dazu müssen sie z. B. reibungsarm sein. Entsprechende Rohstoffentwicklungen u. a. für Autoinjektoren und Injektionsstifte sind Makrolon M204 LF, M402 LF und M404 LF von Covestro. Die PC-Compounds machen durch ihre niedrigen Reibungskoeffizienten den Einsatz von Gleitmitteln überflüssig.

Bei der Konstruktion von tragenden Komponenten für die Verabreichungssysteme, aber auch von Griffen etwa für minimal-invasive chirurgische Instrumente werden vermehrt glasfasergefüllte PC-Typen nachgefragt (Bild 5). Covestro hat dafür zwei nach der Norm ISO 10993–1 biokompatible Produktserien mit unterschiedlichen Füllgraden entwickelt, die hohe Steifig- und Festigkeit besitzen und hochglänzende Oberflächen ermöglichen. Die Makrolon-M-800er-Reihe ist vor allem für mechanisch sehr belastete Bauteile vorgesehen, die leichter fließende M-400er-Reihe für größere, dünnere und geometrisch filigranere Komponenten mit mechanischer Beanspruchung.

Wearables überwachen immer öfter direkt am Körper Vitalfunktionen wie Puls, Blutdruck und Blutzucker. PC und seine Blends eignen sich besonders als Rohstoffe für Gehäuse dieser Geräte. Allerdings sind die Anforderungen zahlreich, komplex und je nach Gerät sehr unterschiedlich. Gefragt sind bruchsichere, steife Materialien, die das Geräteinnere auch bei dünnen Wanddicken vor äußerer mechanischer Belastung schützen und gleichzeitig gut zu verarbeiten sind. Sehr wichtig sind häufig außerdem eine gute chemische Resistenz z. B. gegen Hautlotionen, Desinfektionsmittel oder Schweiß, eine hohe Dimensionsstabilität über einen breiten Temperaturbereich und eine gute Flammwidrigkeit. Bei Geräten, die etwa mit Smartphones interagieren, müssen niedrige dielektrische Konstanten die Signalübertragung sicherstellen. Alle diese Anforderungen lassen sich mit PC und seinen Blends erfüllen. Darüber hinaus bietet PC zahlreiche Designfreiheiten – von Hochglanzoberflächen über die Integration von LED-Lampen bis hin zu Displays, die im inaktiven Zustand nicht sichtbar sind und als makellose schwarze Oberfläche erscheinen (Black-Panel-Technologie).

Ein wachsendes Einsatzgebiet für PC in der Medizintechnik sind außerdem Verpackungen für hochwertige, empfindliche Produkte wie Implantate oder medizinische Tools. Eine Produktentwicklung hierfür ist Makrofol MA507. Die Folie kommt z. B. in der Verpackung von Brustimplantaten zum Einsatz (Bild 6). Ihre hohe Zähigkeit und Steifigkeit schützt den Inhalt vor Beschädigung. Außerdem übersteht sie im Druckautoklaven, wenn die Verpackungen mit Dampf sterilisiert werden, Temperaturen von bis zu 163 °C.

Ausgabenartikel

Bild 2. Im Autointerieur der Zukunft werden eine Vielzahl an Bedien-, Service- und Infotainment-Displays sowie eine große Anzahl an integrierten Ambiente-Lichtsystemen verbaut werden

Bild 3. Die zylindrischen Zellen können in nur 5 s in dem Träger aus einem PC+ABS-Blend verklebt werden

Bild 4. Das Konzept „The Bird“ für ein 5G-Antennengehäuse auf Basis von PC soll nicht nur eine einwandfrei funktionierende Technik ermöglichen, sondern sich auch optisch gut ins Stadtbild einfinden

Bild 5. Glasfasergefüllte PC-Typen eignen sich besonders für medizinische Komponenten, die sehr steif und fest sein müssen wie Griffe für laparoskopische chirurgische Instrumente

Bild 6. Die Verpackungen von Brust- und anderen Implantaten müssen diese vor Beschädigung und Verunreinigung schützen. PC-Folien bieten die dafür notwendige Zähig- und Steifigkeit

Bei Elektrofahrzeugen entfällt die ursprüngliche Funktion des Kühlergrills, die Luftzufuhr zum Motor. Er kann deshalb vollständig als Designelement genutzt werden, etwa durch die Integration von leuchtenden Logos und Fade-out-Effekten

Bild 1. Das Leichtbaudesign der Sitzlehnen soll das Gewicht des Konzeptfahrzeugs ENO.146 reduzieren. Im Vergleich zu bisherigen Lehnen ist die Entwicklung aus Polycarbonat um bis zu 50 % leichter

PC - Hauptartikel

Additive Fertigungsverfahren kommen immer häufiger in der Produktion komplexer und individualisierter Kunststoffteile zum Einsatz. Bei ihnen existieren ebenfalls gute Möglichkeiten, geschlossene Stoffkreisläufe aufzubauen. Das zeigen z. B. Leuchten, die der Lampenhersteller Signify, Eindhoven/Niederlande, per 3D-Druck im industriellen Maßstab aus PC fertigt. Die dafür von Covestro entwickelten Compounds erfüllen aufgrund ihrer Transparenz, Schlagzähigkeit, Thermostabilität und Designfreiheit das Anforderungsprofil der Leuchten. Als Thermoplaste sind sie zugleich rezyklierbar. Alle PC-Komponenten lassen sich wiederverwenden oder recyceln.

Frank Schnieders ist Senior Manager Market Insights and Solutions bei Covestro.

Jochen Hardt arbeitet als Global Marketing Manager Mobility bei Covestro.

Dirk Wurster ist Head of Polycarbonates for Electro, Electronics & Appliances EMEA bei Covestro.

Dirk Pophusen arbeitet als Global Segment Manager Specialty Films, Consumer & Industrial Solutions bei Covestro.

Maximilian Hemgesberg ist Head of Business Development Coated Films, Specialty Films bei Covestro.

Florian Stempfle ist Head of Business Development Specialty Films EMEA und LATAM bei Covestro.

Alle Marktangaben basieren auf Erhebungen und Einschätzungen von Covestro. Die darüber hinausgehenden Informationen zu Investitionen und technischen Entwicklungen stammen aus dem eigenen Haus bzw. beruhen auf Presse-Informationen der genannten Unternehmen.