Neue Produktionsstandards
Kunststoffherstellung im Zeitalter der Elektromobilität
Bei der Entwicklung attraktiver E-Autos rückt das Thema leichtgewichtiger Automobilkomponenten immer stärker in den Vordergrund. Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts ist eine der wirksamsten Methoden, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu vergrößern.
Die Automobilindustrie befindet sich inmitten eines tiefgreifenden Umbruchs: Während weiterhin Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor produziert werden, gewinnen Elektrofahrzeuge zunehmend an Bedeutung. Diese Doppelproduktion stellt die Hersteller vor erhebliche Herausforderungen. Der Übergang zur Elektromobilität stellt nicht nur eine Änderung der Antriebstechnologie im Vergleich zu herkömmlicher Fahrzeugproduktion dar, sondern geht gleichzeitig mit einer umfassenden Neubewertung des Fahrzeugdesigns, der Technik und der Herstellung einher. Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen wird ihr Einfluss auf verschiedene Aspekte der Automobilproduktion – einschließlich der Materialien und Prozesse – immer bedeutender.
Die Rolle von Kunststoffen in der Automobilherstellung
Kunststoffe spielen aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Kosteneffizienz und Leistungsmerkmale seit langem eine entscheidende Rolle in der Automobilindustrie. In der Automobilproduktion werden Kunststoffe ausgiebig verwendet, um das Gewicht zu reduzieren, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und die Designflexibilität zu erhöhen. Komponenten wie Innenverkleidungen, Armaturenbretter, Stoßfänger und Karosserieteile werden häufig aus verschiedenen Kunststoffmaterialien hergestellt. Das geringe Gewicht der Kunststoffe trägt erheblich zur Reduzierung des Gesamtfahrzeuggewichts bei, was für die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und die Reduzierung der Emissionen unerlässlich ist.
Kunststoffe zeichnen sich darüber hinaus durch erhebliche Kostenvorteile gegenüber anderen Materialien wie Metall aus. Sie ermöglichen die Herstellung komplexer Formen und komplizierter Designs mit Leichtigkeit, sodass Automobilhersteller ästhetische und funktionale Ziele erreichen können, ohne übermäßige Kosten zu verursachen. Darüber hinaus gewährleisten heutige Kunststoffe eine hervorragende Haltbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Schlagfestigkeit, was eine langanhaltende Leistung unter verschiedenen Umweltbedingungen gewährleistet.
Polymertypen und ihr Einsatz in der Automobilherstellung
In der Automobilproduktion kommen unterschiedliche Kunststoffarten zum Einsatz. Dabei werden diese entsprechend ihrer spezifischen Eigenschaften und Eignung für verschiedene Anwendungen ausgewählt.
- Polypropylen (PP): Bekannt für seine Vielseitigkeit, niedrigen Kosten und gute Balance der Eigenschaften, wird PP häufig in Automobilkomponenten wie Stoßfängern und Innenverkleidungen verwendet.
- Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS): ABS wird wegen seiner Schlagfestigkeit und Hitzebeständigkeit geschätzt. Es wird häufig zur Herstellung von Teilen wie Armaturenbrettern, Stoßfängern und Kotflügeln verwendet.
- Polyurethan (PU): PU wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, einschließlich Sitzen, Isolierungen und Außenkarosserieteilen. Durch die Flexibilität und Polstereigenschaften ist es sowohl für Komfort- als auch für Strukturkomponenten geeignet.
- Epoxidharze: Epoxide sind bekannt für ihre ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, die chemische Beständigkeit und die starken Klebeeigenschaften. Sie werden häufig in Beschichtungen, Klebstoffen und Verbundwerkstoffen für Strukturkomponenten wie Karosserieteile und Fahrwerksteile verwendet.
- Phenolharze: Phenolharze punkten durch ihre hohe Hitzebeständigkeit sowie die mechanische Festigkeit. Sie werden häufig in Bremsbelägen, elektrischen Komponenten und Anwendungen unter der Motorhaube verwendet, bei denen thermische Stabilität entscheidend ist.
- Ungesättigte Polyesterharze (UP): UPs werden aufgrund ihrer guten Balance der mechanischen Eigenschaften und Kosteneffizienz häufig in Verbundwerkstoffen verwendet. Sie finden sich oft in Außenkarosserieteilen, Stoßfängern und strukturellen Verstärkungen.
Verbundkunststoffe gewinnen an Bedeutung
Verbundkunststoffe kombinieren verschiedene Materialien, um spezifische Eigenschaften wie Festigkeit, Gewichtsreduktion und thermische Stabilität zu verbessern. Die Bedeutung dieser Materialien in der Automobilindustrie nimmt stetig zu, insbesondere in der Produktion der Elektrofahrzeuge.
- Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK): GFK-Verbundwerkstoffe werden durch die Verstärkung von Kunststoff mit Glasfasern hergestellt und bieten hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Sie werden in Karosserieteilen, Strukturkomponenten und Batteriegehäusen verwendet.
- Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK): CFK-Verbundwerkstoffe überzeugen durch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig sehr geringem Gewicht. Sie werden häufig in Hochleistungsanwendungen wie Sportwagen, EV-Rahmen und kritischen Strukturteilen eingesetzt.
Die Auswahl der Verbundkunststoffe wird durch ihre spezifischen Eigenschaften bestimmt, die den funktionalen Anforderungen verschiedener Automobilkomponenten entsprechen. Mit der Transformation der Branche hin zu Elektrofahrzeugen entwickelt sich die Rolle dieser Kunststoffe weiter, was die Notwendigkeit neuer Materialien und Innovationen in der Kunststoffherstellung vorantreibt.
Veränderungen bei Fahrzeugdesign und Materialien
Die Elektrifizierung im Automobilbereich hat zu bedeutenden Veränderungen im Fahrzeugdesign und bei den Materialien geführt. Eine der bemerkenswertesten strukturellen Unterschiede ist die Platzierung und Integration des Batteriepacks, das oft im Fahrzeugboden untergebracht ist. Dieses Design senkt den Schwerpunkt, verbessert die Stabilität und das Handling, erfordert jedoch einen robusten Schutz für den Batteriekasten, was sich auf die verwendeten Materialien auswirkt.
Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, die komplexe Motorräume mit zahlreichen beweglichen Teilen aufweisen, verfügen Elektrofahrzeuge über einfachere Antriebe. Diese Einfachheit ermöglicht flexiblere Designansätze, zum Beispiel zur Optimierung der Aerodynamik und zur Maximierung des Innenraums. Doch dadurch werden neue Materialien erforderlich, die den unterschiedlichen strukturellen und thermischen Anforderungen von Elektrofahrzeug-Komponenten gerecht werden.
Erhöhter Bedarf an Leichtbaumaterialien
Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts ist für Hersteller von Elektroautos von entscheidender Bedeutung, da sie direkt die Reichweite und Effizienz des Fahrzeugs direkt beeinflusst. Jedes Kilogramm, das beim Fahrzeuggewicht eingespart wird, kann zu erheblichen Verbesserungen der Batterieleistung und des gesamten Energiebedarfs führen. Folglich ergibt sich eine hohe Nachfrage nach Leichtbaumaterialien, die keine Kompromisse bei Festigkeit, Haltbarkeit oder Sicherheit eingehen.
- Hochleistungskunststoffe: E-Autos erfordern Materialien, die höheren thermischen und elektrischen Anforderungen standhalten können. Hochleistungskunststoffe bieten hervorragende thermische Stabilität, mechanische Festigkeit und chemische Beständigkeit. Diese Materialien werden zunehmend in Komponenten wie elektrischen Steckverbindern, Batteriegehäusen und Thermomanagement-Systemen verwendet.
- Verbundwerkstoffe und fortschrittliche Materialien: Der Einsatz von Verbundwerkstoffen wie kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) und glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) nimmt im Elektromobilitätsmarkt zu. Diese Verbundstoffe bieten hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse und eignen sich hervorragend für Strukturkomponenten, Karosserieteile und Batteriegehäuse. Darüber hinaus werden fortschrittliche Materialien wie Aluminium-Kunststoff-Hybride und Multimaterial-Laminate entwickelt, um den strengen Leistungsanforderungen von Elektrofahrzeugen gerecht zu werden.
- Wärmemanagement- und Isoliermaterialien: Effektives Wärmemanagement ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Elektroautos. Kunststoffe mit hohen Wärmeleitfähigkeiten und Isoliereigenschaften sind unerlässlich, um die von Batterien und elektronischen Komponenten erzeugte Wärme zu bewältigen. Materialien wie wärmeleitende Polymere werden in Elektromobilitäts-Designs integriert, um die Effizienz des Wärmemanagements zu verbessern.
Der Übergang zu Elektrofahrzeugen treibt bedeutende Innovationen in der Verwendung und Entwicklung von Automobilkunststoffen voran. Da Hersteller von Elektrofahrzeugen bestrebt sind, Leistung, Sicherheit und Effizienz zu optimieren, wird die Nachfrage nach fortschrittlichen, leichten und hochleistungsfähigen Kunststoffen weiter steigen. Diese Entwicklung stellt sowohl Herausforderungen als auch Chancen für die Kunststoffherstellung in der Automobilindustrie dar und erfordert kontinuierliche Anpassungen und Innovationen bei Materialien und Prozessen.
Leichtbau-Kohlefaserräder
Carbon Revolution, ein global tätiges Technologieunternehmen und wichtiger OEM-Lieferant, ist auf die Fertigung von leichten Kohlefaserrädern für die Automobilindustrie spezialisiert und hat ein Verfahren entwickelt, um diese in großem Maßstab zu fertigen. Die einteiligen Kohlefaserräder verwenden Leichtbau-Technologie aus der Luft- und Raumfahrt und sind mehr als 40 % leichter als High-End-Aluminiumräder.
Um den Produktionsumfang zu erweitern und die daraus resultierenden wirtschaftlichen Vorteile zu nutzen, ist Carbon Revolution dabei, seine erste Mega-Line-Produktionsanlage bauen. Die Mega-Line stellt die nächste Phase der Industrialisierung des Produktionsprozesses von Carbon Revolution hin zu einer vollständigen Industrialisierung dar und umfasst industrialisierte und vollautomatisierte hochentwickelte Fertigungszellen, mit denen hohe Stückzahlen mit deutlich geringerem Arbeitsaufwand erzielt werden können.
Die von Carbon Revolution und seinen Partnern in Australien entwickelte Mega-Linie wird mit der sensXPERT-Lösung ausgestattet. Sensoren, die in die Hochdruckformkavität integriert sind, messen und vorhersagen in Echtzeit wichtige Materialparameter, darunter den Aushärtungs- sowie Kristallisationsgrad, die Glasübergangstemperatur und andere relevante thermische und mechanische Materialeigenschaften.
Mit der sensXPERT-Lösung werden die erfassten Daten über Algorithmen für maschinelles Lernen verarbeitet, um den optimalen Zeitpunkt zum Öffnen des Werkzeugs zu bestimmen. Dadurch werden nur Teile produziert, die die hohen Qualitätsanforderungen von Carbon Revolution erfüllen. Auf diese Weise wird ein entscheidender Qualitätskontrollschritt in den Produktionsprozess integriert und die nachgelagerte Qualitätskontrolle verschlankt.
»Wir freuen uns, Carbon Revolution bei der Automatisierung seiner zentralen Fertigungsprozesse zu unterstützen, um die Herstellung hochqualitativer Erzeugnisse zu erleichtern«, betont Dr. Alexander Chaloupka, Leiter Produkte und Lösungen bei sensXPERT.
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Der Autor
Dr. Alexander Chaloupka
ist seit 2021 Geschäftsführer sensXPERT. Nach seinem Studium der Physik an der Universität Augsburg war Alexander Chaloupka zunächst als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie in Augsburg für den Fachbereich thermophysikalische & chemische Analyse sowie Rheologie tätig. Anschließend wechselte er in den Geschäftsbereich Analysieren & Prüfen der Netzsch-Gruppe. Hier durchlief er mehrere Positionen in den Bereichen Forschung & Entwicklung, Vertrieb und als Geschäftsfeldmanager. 2021 wurde er Leiter des Corporate Startups sensXPERT in dem Bereich Product & Solutions.
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