Werkstoffgerechte Konstruktion von Sandwich-Bauteilen mit hochwertiger Oberfläche

Harte Schale, weicher Kern

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Die Autokarosserie der Zukunft ist leichtgewichtig und leistet damit einen Beitrag zur Energieeinsparung im Verkehr. Zugleich muss sie sehr steif sein, damit das Fahrzeug die nötige Stabilität erhält. Ein neues Konzept von Bayer MaterialScience nimmt sich dieser Forderungen an.

Der Autor: Dr. Frank Rothbarth, Communications Marketing Fachmedien, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen

Bei der Entwicklung von Teilen in Sandwichbauweise beschreitet Bayer MaterialScience jetzt ganz neue Wege. Auch der Wunsch von Autoherstellern nach höherer Produktivität findet in dem Konzept Berücksichtigung. Auf der Kunststoffmesse K 2013 stellte das Unternehmen beispielhaft einen Heckklappendeckel vor, bei dessen Entwicklung die Natur Pate stand – und das gleich in doppelter Hinsicht.
„Mit einer glatten, kompakten Außenhaut und einem geschäumten Kern hat der Aufbau des Bauteils viel Ähnlichkeit mit dem eines Knochens“, erläutert Ulrich Grosser, Teamleiter Advanced Technologies bei Bayer MaterialScience. Die Konstruktion dieses hochsteifen und gleichzeitig leichtgewichtigen Körperteils ist einer langen evolutionären Entwicklung zu verdanken. Die Parallelen enden allerdings bei der Fertigung der Teile: Während natürliche Knochen durch Zellanlagerung wachsen, greifen die Leverkusener bei der Entwicklung von Sandwichteilen auf Verfahren zur Kunststoffverarbeitung zurück.
„Für die äußere Schicht werden Endlos-Glasfasergelege mit einem thermoplastischen Polymer auf Basis von Polycarbonat imprägniert“, sagt Ulrich Grosser. „Dabei wird die Benetzung und Umhüllung aller Fasern durch die Kunststoffmatrix sichergestellt.“ Dies sei der Schlüssel zur hohen Steifigkeit der Randschichten des Sandwichaufbaus. Die Schwindung von Polycarbonat-Blends wie Makroblend ist sehr gering, und der Sandwichaufbau weist eine sehr glatte, qualitativ hochwertige Oberfläche auf. Für die gewünschte Optik kann diese anschließend lackiert werden – beispielsweise mit Beschichtungen auf der Basis von Polyurethan-Rohstoffen.
Geringes Gewicht, gute Dämmung
In einem zweiten Schritt werden Ober- und Unterseite des Heckklappendeckels zusammengefügt und der entstehende Hohlraum komplett mit dem Polyurethan-System Baysafe ausgeschäumt. Der Schaum hat nur eine sehr geringe Dichte und verleiht dem Bauteil dadurch eine besondere Leichtgewichtigkeit. Da der Schaum zugleich sehr steif ist und mit der ganzen äußeren Oberfläche verklebt, zeigt das Bauteil auch nur eine geringe Anfälligkeit für Bagatellschäden.
Im Fall eines Aufpralls absorbiert der Schaumstoff Energie, was der Sicherheit von Insassen und Passanten dient. Er ist hoch wärmedämmend und leistet damit einen wichtigen Beitrag zum Energiemanagement im Fahrzeug: Die Klimaanlage bzw. Heizung kann auf niedrigerer Stufe laufen und verbraucht weniger Energie. Auch dadurch lassen sich Treibstoffverbrauch und CO2-Emissionen senken – und der Autofahrer braucht nicht so oft zur Tankstelle zu fahren. In Elektroautos schont dies die Batterie und vergrößert den Aktionsradius des Fahrzeugs. Dank seiner Schalldämmung sorgt der Schaumstoff außerdem für Ruhe im Cockpit.
Doch das ist noch nicht alles: Im Schaum können auch auf besonders effiziente und dauerhafte Weise Antennen eingebettet werden. Im Gegensatz zu metallischen Bauteilen erlauben die Polymere einen ungestörten Empfang über einen weiten Frequenzbereich. Auch andere Funktionen bis hin zur Beleuchtung lassen sich in das Sandwichbauteil integrieren.
Wie ein Baum – dauerhaft Wurzeln schlagen
Der auf der K 2013 ausgestellte Prototyp ist ein Beispiel für die hohe Gestaltungsfreiheit, die die Kunststoffe von Bayer MaterialScience bieten. Um einen realitätsnahen Einsatz des Konzeptteils im Fahrzeug zu ermöglichen, hat das Unternehmen auch eine intelligente Lösung für die Befestigung am Fahrzeugrumpf entwickelt. „Auch hierbei hat sich die Natur als der beste Baumeister erwiesen“, sagt Ulrich Grosser. Die Aufgabe bestand in einer robusten und dauerhaften Verbindung des Scharniers mit der Leichtbaustruktur des Heckklappendeckels. „Dazu haben wir uns angeschaut, wie Bäume auf Waldböden verankert sind“, erläutert Grosser. „Ein verzweigtes Wurzelwerk verleiht auch großen und schweren Bäumen einen sicheren Halt auf den oft weichen Böden.“
Für eine realitätsnahe Lösung optimierten die Forscher das Aussehen der Scharnierbefestigung mithilfe von CAE-Berechnungen. Im Ergebnis hat die Kunststoffstruktur eine verblüffende Ähnlichkeit mit dem Aussehen eines Baumwurzelgeflechts auf dem Waldboden. Versuche belegen, dass die Scharnierbefestigung leicht montiert werden kann und sehr fest im leichten Schaumkern haftet.
Perspektiven für weitere Anwendungen
„Mit dieser werkstoffgerechten Konstruktion ist uns ein Meilenstein bei der effizienten Herstellung von Sandwichbauteilen gelungen“, fasst Dr. Olaf Zöllner zusammen. Der Leiter der Anwendungstechnik für Polycarbonat sieht das genannte Karosserieteil als ein Beispiel für sehr viele Möglichkeiten, die die neue Technologie bietet: „Solche leichten und steifen Verbundwerkstoffe aus Polycarbonat-Blends eignen sich hervorragend für die Konstruktion etwa von Ultrabooks und anderen Hightech-Produkten.“ Auch in der Möbelherstellung und vielen anderen Anwendungen ergäben sich vielversprechende Perspektiven. „Die Autoindustrie ist oft ein Vorreiter bei bahnbrechenden technischen Entwicklungen. Wir freuen uns aber auch auf die Gespräche mit Kunden und Partnern in anderen Branchen.“ I

Info & Kontakt
Bayer MaterialScience Dr. Frank Rothbarth Communications Marketing Fachmedien Tel.: 0214 30-25363 frank.rothbarth@bayer.com www.materialscience.bayer.com
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