Vielseitige Alternative

Kunststoffe - Es müssen nicht immer Metalle sein: Industriekunststoffe können sie gleichwertig ersetzen - oder sind gar überlegen. Moderne Polymere erlauben jetzt sogar den Einsatz in unmittelbarer Nähe von Fahrzeugmotoren.

14. Dezember 2005

Bei der Wahl des geeigneten Werkstoffs stehen Konstrukteure und Designer häufig vor der Frage: Metall oder Kunststoff? Kunststoffe lassen sich als Konstruktionswerkstoff leicht verarbeiten und erlauben eine große Freiheit beim Design. In vielen Bereichen werden deshalb komplexe Strukturen aus Stahl immer öfter durch Kunststoffmodule ersetzt. Dank moderner Spritzgießtechnik und der Werkzeugauslegung verschmelzen viele Einzelfunktionen von früher getrennten Bauteilen aus Metall in einem Kunststoffteil. Solche meist sehr kompakten Fertigteile verringern nicht nur das Gewicht der Konstruktion, sie senken auch die Montagekosten. Dabei beherrschen Kunststoffe heute oft schon Aufgaben, die sich bislang nur mit metallischen Werkstoffen realisieren ließen.

Einsatz im Motorraum

Der Motorblock von Automobilen wird wohl noch für lange Zeit aus Metall bestehen. Um das Aggregat herum treten jedoch vermehrt Bauteile aus technischen Kunststoffen auf: Das Spektrum reicht hier vom Saugrohr über den Ölsensor bis hin zur Getriebesteuerung, die heißes Öl mit Temperaturen bis zu 140 Grad Celsius aushalten muss. In greifbare Nähe gerückt ist die Vollkunststoff-Karosserie, einige Rohstoffhersteller haben bereits umfassende Konzepte vorgelegt. Schon seit längerem verwenden Unternehmen aus Elektrotechnik, Bauwesen und Maschinenbau Bauteile aus Kunststoff - vom Kugellager über Steckverbinder und Dübel bis zur Energieführungskette. Eine neuartige Funktion erfüllen beispielsweise zwei Kunststoffe von BASF in Duschköpfen von Grohe. Hier sorgt der Polyoxymethylen-Kunststoff ›Ultraform‹ im Inneren des Griffes für eine strukturierte Wasserführung und verhindert das Überhitzen der Brause. Haltbarkeit und Form des Duschkopfes sollen so länger erhalten bleiben. Zudem haftet Kalk an diesem Kunststoff nur schlecht. Auf der Außenseite des Duschkopfes kommt das Polybutylenterephthalat (PBT) Ultradur zum Einsatz, das zur Ausbildung feiner Strahldüsen mit Silikon umspritzt wird und diese Düsen durch seine hohe Haftreibung festhält.

Formstabil und gasdicht

Bei der zentralen Einheit eines Gaszählers werden die Zahnräder wegen der großen Formstabilität und Gasdichtigkeit jetzt auch aus Ultraform gefertigt. Der Gaszähler besteht dadurch zu 60 Prozent aus diesem Kunststoff. Ein anderes Einsatzfeld sind Hochleistungskugellager, die beispielsweise in Kuvertiermaschinen Verwendung finden. Gründe dafür seien laut BASF vor allem die hohe Festigkeit in Mechanik, Abrieb und Ermüdung, zudem sei das Material maßhaltig sowie hitzebeständig. Polyamide sind universell einsetzbar und gehören somit zu den wichtigsten technischen Kunststoffen, von BASF vermarktet unter den Handelsnamen Ultramid und Capron. Diese Werkstoffe finden sich zum Beispiel in Energieführungsketten, die nicht allein sehr hitzebeständig und mechanisch stabil sein müssen, sondern zugleich einen möglichst geringen Verschleiß bieten sollen. Eine Vielzahl von Funktionen erfüllen PA-Kunststoffe vor allem im Automobilbau. Aus Kunststoff besteht beispielsweise der multifunktionale Luftfilter im neuen VW Golf, der gleichzeitig als Motorabdeckung fungiert. Das Bauteil wird reibgeschweißt und besteht aus drei verschiedenen Polyamid 6-Typen.

Kunststoff fürs Fahrzeuginnere

Doch nicht allein Polyamide finden sich in modernen Fahrzeugen. Den höchsten Kunststoffanteil am Fahrzeug stellen nach wie vor die Polyolefine Polypropylen und Polyethylen. Auf dem Gebiet der Fahrzeugelektronik und Mechatronik spielt zudem Polybutylenterephthalat eine wichtige Rolle. Im Innenraum finden sich oft Polyurethane, zum Beispiel in Sitzen und Instrumententafeln aber auch bei Dämpfungselementen im Bereich der Achse. Bei Fahrzeugen mit Turboladern befinden sich unter der Motorhaube meist auch Ladeluftkühler, deren Gehäuse oft aus Ultramid A hergestellt werden. Die Steifigkeit erreicht dieses Polyamid durch Zugabe von 35 Prozent Glasfasern. Dies senkt zugleich die Kristallisationstemperatur des Kunststoffs, so kann der Werkstoff lange Fließwege zurücklegen und der Druck beim Spritzgießen wesentlich niedriger gewählt werden.

Polyamid mit Glasfaser

Der Kunststoff erträgt häufige Druckwechsel von zwei Bar sowie hohe dynamische Lasten bei Temperaturen bis zu 110°C und bietet mehr Designfreiheit an Orten, wo bisher Metall eingesetzt wurde. Die weltweit erste Lkw-Ölwanne aus thermoplastischem Kunststoff wird ebenfalls aus einem glasfaserverstärkten Polyamid Ultramid A gefertigt. Dafür erhielt BASF den „Grand Innovation Award“ der internationalen Vereinigung für Kunststofftechnik SPE Europe. Gegenüber dem Vorgängermodell aus Metall reduziert die Kunststoff-Wanne die Geräuschentwicklung um rund ein Dezibel und bietet zugleich ein um 30 Prozent größeres Fassungsvermögen. Wartungsintervalle können so um 50 Prozent verlängert werden. Zudem ist die neue Kunststoffwanne nur halb so schwer wie eine vergleichbare Wanne aus Aluminiumdruckguss.

Komplett aus Kunststoff

Zurzeit herrscht bei den Automobilherstellern starkes Interesse an großen Karosserieteilen, die vollständig aus Kunststoff bestehen. Zudem laufen Versuchsreihen, unlackierte Oberflächen aus Kunststoff zu schaffen und trotzdem den Schutz und die Optik eines Lacks zu erreichen. Diese Teile bestehen beispielsweise aus einer mit Polyurethan hinterschäumten, tief gezogenen und coextrudierten Kunststofffolie. Sie wird für schon das Glasschiebedach des Smart verwendet. Beim Nutzfahrzeughersteller Multicar bestehen die Fahrerhäuser vollständig aus tief gezogenen Kunststoffbauteilen aus ›Luran S‹. Dieses Copolymer aus Acrylester, Styrol und Acrylnitril wird auf einen Stahlrahmen aufgeklebt. Die Hybridkonstruktion ist 30 Kilogramm leichter als ihr metallischer Vorgänger, kostengünstiger in der Fertigung und einfach zu reparieren. In der Kombination von Kunststoff und Metall in Form von Hybridbauteilen liegt ein großes Zukunftspotenzial.

Hans-Peter Beringer, BASF AG

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2006