Funktion trifft Ästhetik

Technische Kunststoffe - Kunststoffe entwickeln sich immer mehr zum ›Material der 1000 Möglichkeiten‹. Die Kombination aus physikalischem Verhalten und Verarbeitungseigenschaften bietet dem Konstrukteur eine Gestaltungsfreiheit, die andere Werkstoffe kaum erreichen. Außerdem läßt sich mit technischen Kunststoffen optisch Anspruchsvolles fertigen.

30. Mai 2005

Im wettbewerbsgetriebenen Umfeld von Automobilbau und Elektronik/Elektrotechnik, aber auch im Maschinenbau, bei Sportgeräten und Spielzeug und bei Geräten für den Haushalt, wachsen die Ansprüche: Neue Bauteile sollen kostengünstig und einfach herzustellen sein, aber zugleich hohe technische Anforderungen erfüllen. So sollen sie zwar mehrere vorher voneinander isolierte Funktionen in einem Modul vereinen, dabei aber möglichst leicht sein. Zudem sollen sie sich in vorhandene Strukturen einfügen lassen und auch noch ästhetischen Vorstellungen genügen. Im folgenden wird an einigen ausgewählten Beispielen gezeigt, welche konstruktiven und designtechnischen Lösungen mit den beiden Kunststoffen Polybutylenterephthalat und Polyamid heute möglich sind.

PBT - für eine Überraschung gut

Polybutylenterephthalat (PBT) ist ein technischer Kunststoff, der unter anderem in der Automobilelektronik zum Einsatz kommt, da er gegen die im Motorraum auftretenden Chemikalien und hohen Temperaturen beständig ist. Ein Anwendungsbeispiel ist der von Siemens VDO Automotive entwickelte Luftmassensensor, dessen wichtigste Kunststoffteile aus laserbeschriftbaren und lasertransparenten Ultradur-Typen, den Vertretern des PBT-Sortiments der BASF AG, konstruiert sind. Daß sich bei geeignetem Design Eigenvibrationen gezielt unterdrücken lassen, zeigt die PBT-Dachreling der Peugeot-Modelle 307 und 206 SW: Hier kommt die hohe und von Schwankungen in der Luftfeuchtigkeit unabhängige Steifigkeit des Materials zum Tragen. Ein weiteres Anwendungsgebiet für PBT sind Scheinwerferreflektoren, die heute die Individualität der Frontansichten von Kraftfahrzeugen prägen.

Der Alleskönner unter den technischen Kunststoffen

Doch auch auf der Seite der Materialentwicklung sind außerordentliche Qualitätssprünge möglich: Anläßlich der Kunststoffmesse K 2004 in Düsseldorf präsentierte BASF ein neuartiges PBT namens Ultradur High Speed. Durch die Zugabe eines Additivs in Form von feinverteilten Nanopartikeln wurde die Schmelzeviskosität des neuen PBTs gegenüber seinen Vorgängern signifikant abgesenkt und läßt sich deshalb deutlich besser verarbeiten: Je nach Glasfasergehalt fließt es mindestens doppelt so weit wie vergleichbare Standard-Ultradur-Typen. Damit ermöglicht es dünnwandige Artikel mit einem größeren Anteil an Verstärkungsstoffen und damit besseren mechanischen Eigenschaften bei geringerer Wanddicke. Nach Ansicht des Ludwigshafener Unternehmens stellt dieses Polybutylenterephthalat alles Marktübliche in den Schatten.

Mit Polyamid (PA) stellt sich der universellste Vertreter der technischen Kunststoffe vor, der sich primär in der Automobilindustrie, aber nicht nur dort, einen Namen gemacht hat. Polyamide zeichnen sich durch eine gute thermische Beständigkeit, Steifigkeit und Festigkeit aus, sind auch bei tiefen Temperaturen sehr zäh, verfügen über ein günstiges Gleit-Reibe-Verhalten und lassen sich für Elektronik und Elektrotechnik flammhemmend ausrüsten. Dem Konstrukteur wird ein Werkstoff in die Hände gegeben, der durch seine gute Verarbeitbarkeit Innovationen begünstigt. Bei der Konstruktion eines - früher in Metall gefertigten - Ladeluftkühlers griff die Stuttgarter Firma Behr zu Polyamid. Der beinahe einen Meter lange Ladeluftkasten läßt sich an der Spritzgießmaschine in einem Schuß fertigen. Die Genauigkeit des Bauteils ist dabei so hoch, daß man es problemlos mittels Dichtring mit dem Wärmetauscher verbinden kann. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an den Werkstoff, der neben einer hohen Steifigkeit auch ein geeignetes Fließverhalten aufweisen und häufigen Druckwechseln von zwei Bar sowie hohen dynamischen Lasten bei bis zu 110 °C standhalten muß. Der eingesetzte Kunststoff ist Ultramid A3WG7, ein Polyamid 6.6 von BASF, das mit 35 Prozent Glasfasern gefüllt ist.

Zu den zahllosen weiteren Polyamid-Anwendungen gehört auch die berühmt gewordene, weltweit erste thermoplastische LKW-Motorölwanne, welche die Firma KTSN für DaimlerChrysler gefertigt hat. Verwendung findet das Material aber auch in Getriebesteuerungen, Kühlersystemen oder Funktionsteilen für Seitenairbags.

Neue Konstruktionsmöglichkeiten durch hitzebeständige Kunststoffe

Für den Einsatz in der Mechatronik zeichnen sich eigens optimierte Polyamide durch ihre hohe Wärmeformbeständigkeit aus. So läßt sich das neue Ultramid T KR4380LS bleifrei löten und besitzt einen Schmelzpunkt von 295 °C. Damit läßt es sich mit Hilfe des Laser-Direkt-Strukturierens (LDS) zu dreidimensionalen, spritzgegossenen Schaltungsträgern verarbeiten, den sogenannten 3D-MIDs. Auch der Brückenschlag von funktionalem zu optisch anspruchsvollem Design gelingt den Polyamiden. Die aus PA6 oder PA66 gefertigten Luftansaugmodule sind längst als Funktionsteile für fast alle Fahrzeugtypen etabliert. Die Automobilbauer fordern jedoch inzwischen nicht nur Funktionalität, sondern auch Ästhetik. Dieser Wunsch umfasst den gesamten sichtbaren Teil des Motorraums, zum Beispiel auch die Abdeckungen: So bestehen die Motorabdeckungen der 1,4 und 1,6 Liter FSI-Motoren des Golf V, entwickelt von Mann & Hummel, aus drei verschiedenen Polyamid-Typen der Marke Capron. Der zentrale Teil besteht aus silberfarbenem Polyamid und wird damit optisch wie haptisch zum Genuß. Darüber hinaus ließ sich der Luftfilter elegant in diese Motorabdeckung integrieren. Um das enorme Potential der technischen Kunststoffe voll auszuschöpfen, müssen auch die vorhandenen Verarbeitungsmethoden und Konstruktionsverfahren ständig weiterentwickelt werden. Ein Beispiel dafür ist das im Jahr 2002 von BASF vorgestellte Kragenfügen, mit dem Kunststoff und Metall zu kostensparenden Hybridbauteilen verarbeitet werden. Hierbei drückt ein Stempel die namensgebenden Kragen in ein Metallblech, das dann in einem zweiten Schritt in den Kunststoff gepreßt wird. Im Vergleich zum Fügen während des Spritzgusses bietet dieses PMA-Verfahren (post-moulding-assembly) zum Beispiel den Vorteil, daß einfachere Werkzeuge benutzt werden können. Daneben wird die Zykluszeit verkürzt, und zudem neigt das Hybridteil weniger zum Verzug. Vor allem aber ermöglicht das Kragenfügen einen hohen Gestaltungsfreiraum für die Kunststoffkomponente des Hybridbauteils. Pünktlich zur K 2004 konnte BASF ein erstes Frontend präsentieren, das zusammen mit dem Automobilzulieferer Visteon nach der Methode des Kragenfügens gefertigt wurde.

Ideale Planung am Computer

Nicht zuletzt lassen sich Kunststoffbauteile sehr effizient am Computer auslegen, so daß die Zahl der notwendigen Prototypen immer weiter reduziert wird. Die genaue lokale Beschreibung der faserverstärkten Bauteile erlaubt es dem Konstrukteur, deren späteres reales Verhalten fast exakt vorherzusagen. Damit ist die Berstdruckfestigkeit von Saugrohren ebenso am PC zugänglich wie das Crashverhalten von Karosserieanbauteilen. Bei Polyamid ebenso wie bei PBT, aber auch bei allen anderen technischen Kunststoffen, ist es immer wieder der Dreiklang aus geringem Gewicht, hoher Gestaltungsfreiheit und der Fähigkeit, funktionsintegrierte Bauteile zu entwerfen, der diese polymeren Werkstoffe über konventionelle Materialien hinaushebt. Über gutes Design mag man sich streiten, nicht jedoch über die Vorteile von Kunststoffen für Design und Konstruktion.

Dr.-Ing. Sabine Philipp,

Technische Presse Kunststoffe,

BASF AG

Erschienen in Ausgabe: 04/2005