Aufbruch in eine neue Ära …

Werkstoffe

Kunststoffe - Eine der letzten Bastionen des Automobilbaus fällt: Felgen müssen nicht mehr aus Metall sein, ein neues Modell aus Kunststoff ist wesentlich leichter und genauso stabil.

08. Dezember 2011

Das Nonplusultra für jeden Autofan waren bisher »Alu-Schlappen«, also Felgen aus Aluminium. Sie sahen gut aus, sorgten für ein cooles Image und weniger Gewicht. Wie es aussieht, müssen sich jetzt alle Enthusiasten umstellen. Auch vor der Felge macht der Allroundwerkstoff Kunststoff nämlich mittlerweile nicht mehr halt.

Ein beeindruckender Beweis ist die weltweit erste großserienfähige Felge aus einem thermoplastischen Kunststoff von BASF am neuen Smart Forvision. Auf den Trendmessen IAA in Frankfurt und der Fakuma in Friedrichshafen zeigten Smart und BASF die Weltneuheit erstmals dem Publikum. Der Forvision ist ein Konzeptfahrzeug, die Felge aber schon weit über den Konzeptstatus hinaus, denn sie ist bereits auf ihre Einsatzfähigkeit in der Großserie geprüft worden.

Die Smart-Vollkunststofffelge ist über 30 Prozent leichter als ein serienmäßiges Aluminiumrad. Sie bringt nur noch sechs statt neun Kilogramm auf die Waage und besteht aus dem neuen Spezial-Polyamid Ultramid Structure der BASF. Die deutliche Gewichtsreduktion des Fahrzeugs von 12 Kilogramm, die so zustande kommt, führt bei konventionellem Antrieb zu einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch. Im Fall eines batteriegetriebenen Autos wie dem Smart Forvision führt sie zu einer Erhöhung der Reichweite.

»Berücksichtigt man die Tatsache«, wirft Dr. Heiko Heß ein, bei BASF in der Geschäftseinheit Engineering Plastics Europe zuständig für die Radentwicklung, »dass es sich bei Rädern im Gegensatz zu anderen Bauteilen unter der Motorhaube wie Ansaugrohren oder Strukturbauteilen im Chassis um drehende, ungefederte Massen handelt, so ergibt sich sogar eine Gewichtsreduktion von 18 Kilogramm.« Denn rotierende Massen wirkten sich im Vergleich zu nicht rotierenden Massen stärker auf den Energieverbrauch aus.

Konzept in Serie

Die komplette Felge, der Fachmann spricht dabei technisch korrekt von einem Rad, ist zweischalig aufgebaut: Über dem eigentlichen Trägerteil befindet sich eine Designblende, die ebenfalls aus BASF-Ultramid besteht. Beide Teile übernehmen dabei eine tragende Funktion und müssen hohe Belastungen im Fahrbetrieb überstehen.

Ungewöhnlich ist laut Heß, dass bereits bei der Herstellung im Spritzguss für das Rad eines Konzeptfahrzeugs seriennahe Optimierungen stattgefunden haben. »So ließen sich das Trägerteil das eigentliche Rad und die mittragende Sichtblende, die später aufgeschweißt wird, in einem Werkzeug gleichzeitig spritzen.« Die Designblende lässt sich in beliebigen Wagenfarben lackieren. In Frankfurt erschien sie – wie der komplette Smart Forvision – in Weiß und Kupfer.

»Im Rennsport und bei Kleinserien gibt es schon erste Felgen aus duroplastischem Kunststoff«, fährt Heiko Heß fort. »Allerdings sind sie gegenüber thermoplastischen Felgen, die im Spritzguss hergestellt werden können, deutlich aufwendiger, damit auch teurer in der Fertigung und für den Großserieneinsatz ungeeignet«.

Der neue hochbelastbare Composite-Kunststoff Ultramid Structure aus dem Polyamid-Sortiment der BASF ist durch Langfasern verstärkt. Durch diese Verstärkung mit langen Fasern ist seine Belastbarkeit besonders hoch. Der Werkstoff kann überall dort Metall ersetzen, wo hohe Anforderungen an die Energieaufnahme gestellt werden, zum Beispiel bei Crash-Absorbern, Sitzstrukturen, Batterieträgern, Motorlagern und anderen Strukturbauteilen. Die Ultramid-Structure-Variante, die in diesen Bereichen Verwendung findet, ist besonders steif, zäh und dimensionsstabil. »Dieses langfaserverstärkte Material kann im Vergleich zu Aluminium das Crashverhalten positiv beeinflussen«, erläutert Heiko Heß.

Der neue hochbelastbare Composite-Kunststoff Ultramid Structure aus dem Polyamid-Sortiment der BASF ist durch Langfasern verstärkt. Durch diese Verstärkung mit langen Fasern ist seine Belastbarkeit besonders hoch. Der Werkstoff kann überall dort Metall ersetzen, wo hohe Anforderungen an die Energieaufnahme gestellt werden, zum Beispiel bei Crash-Absorbern, Sitzstrukturen, Batterieträgern, Motorlagern und anderen Strukturbauteilen. Die Ultramid-Structure-Variante, die in diesen Bereichen Verwendung findet, ist besonders steif, zäh und dimensionsstabil. »Dieses langfaserverstärkte Material kann im Vergleich zu Aluminium das Crashverhalten positiv beeinflussen«, erläutert Heiko Heß.

Simulation spart Zeit

Bei der Auslegung dieser hochbelastbaren Ultramid-Felge kam, wie bei zahlreichen Bauteilen aus diesem Material in den letzten Jahren, das inzwischen universell einsetzbare Simulationsinstrument Ultrasim von BASF zum Einsatz.

Mit Hilfe einer Topologieoptimierung ließen sich Gestalt und Position der Verrippung der Kunststofffelge am Computer vorhersagen und optimieren – laut Hersteller ohne Abstriche am Design. Die Form des Rads war so bereits in einer frühen Konstruktionsphase definiert und musste am realen Teil nur geringfügig nachjustiert werden. Das hochsicherheitsrelevante Bauteil, das in dieser Form bisher nur in Metall existiert, entstand daher in enger Zusammenarbeit mit den Felgenexperten der Daimler AG nach sehr kurzer Entwicklungszeit.

Zu den umfangreichen Belastungstests, die das Rad auf den Prüfständen bei Smart und BASF zu überstehen hatte, gehören die Toleranzprüfung auf der Radmessmaschine, die Lebensdauerprüfung auf dem zweiachsialen Radprüfstand, dem sogenannten ZWARP-Test, die Biegeumlaufprüfung, der Impact- und der Radialschlagtest im Fallturm sowie die Berstdruckprüfung. Die Ankopplung und damit die Kraftübertragung zur Achse erfolgt durch Metalleinleger und Schrauben.

Insgesamt nennt BASF die hervorragende thermische und chemische Beständigkeit, die dynamische Festigkeit, seine Zähigkeit und gute Dauergebrauchseigenschaften als entscheidende Eigenschaften des Ultramid-Werkstoffs, die sich in der Felge widerspiegeln. Laut Dr. Heiko Heß sind in der innovativen Kunststofffelge das Rad-Know-how und die Designvorgaben von Daimler mit dem Simulations- und Kunststoffwissen der BASF auf exemplarische Weise zusammengeflossen. mk z

BASF auf der Fakuma

Auf der Fakuma 2011 in Friedrichshafen zeigte die BASF neue Produkte und Anwendungen aus ihrem Sortiment für technische Kunststoffe. Neben der dargestellten ersten großserientauglichen Felge aus thermoplastischem Kunststoff war dies eine Wanne für die Montage und Fixierung von Solarzellen, beide gefertigt aus Ultramid. Styrolution zeigte das hochelastische SBS-Polymer Styroflex und den Einsatz von Luran S in Windturbinenflügeln.

Erschienen in Ausgabe: Industrie Handbuch/2011