Strukturverstärkender Verbundeinleger für A-Säule

Das Leichtbaupotenzial der endlosfaserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffe Tepex des Spezialchemie-Konzerns LANXESS lässt sich auch zur Konstruktion von Pkw-Strukturbauteilen nutzen, die extreme Crash-Anforderungen bestehen müssen. Das unterstreicht das Beispiel einer von Porsche entwickelten leichten A-Säule in 3D-Hybrid-Bauweise. Sie ist unter anderem für Cabriolets und Roadster vorgesehen und kommt erstmals im Porsche 911 Cabrio zum Einsatz. Sie enthält einen Einleger aus hochfestem Stahl, der von innen mit einem umgeformten Zuschnitt aus dem Polyamid 6-basierten Tepex dynalite 102-RG600(6)/47% und mit einer Rippenstruktur aus dem kurzglasfaserhaltigen Polyamid 66 Durethan AKV 30 H2.0 gestützt wird. Dieser Aufbau wird mit dem von der Firma L&L Products entwickelten Strukturschaum L-5235 kraftschlüssig verbunden. Der Hybrideinleger sorgt mit seiner hohen Festigkeit und Steifigkeit dafür, dass die A-Säule bei Überschlägen genauso gut standhält wie bisherige Konstruktionen mit einem hochfesten Stahlrohr. Sie ist dabei aber rund fünf Kilogramm leichter. Die Gewichtsersparnis wird im Bereich des Greenhouse erzielt. Dadurch wird der Fahrzeugschwerpunkt weiter nach unten verlagert und so die Fahrdynamik verbessert.

Großes Potenzial im strukturellen Leichtbau von Karosserien

„Für uns zeigt die exzellente mechanische Performance der Hybrid-A-Säule, dass Hybrideinleger, die auf Stahlblech, Tepex, Polyamid 6- oder Polyamid-66-Varianten von Durethan als Hinterspritzmaterial und auf einem Strukturschaum wie zum Beispiel L-5235 basieren, auch großes Einsatzpotenzial im strukturellen Leichtbau von Automobilkarosserien haben. Das gilt vor allem für Elektrofahrzeuge, die durch die schweren Batterien eine hohe Crash-Masse haben. Außerdem erhöht sich durch die Gewichtseinsparung die Reichweite der Elektrofahrzeuge“, erklärt Henrik Plaggenborg, Leiter Tepex Automotive im LANXESS-Geschäftsbereich High Performance Materials (HPM). Weitere potenzielle Anwendungen der Hybridverbundelemente sind etwa die Verstärkung von Quer- und Längsträgern, B- und C-Säulen, tragenden Teilen der Batterie oder von sicherheitsrelevanten Komponenten für Türen.

Umformen und Hinterspritzen in einem Prozessschritt

Entwickler und Hersteller der Hybridverbundelemente ist die Firma L&L Products mit dem Standort Strassburg im französischen Elsass. Das US-amerikanische Unternehmen hat sich mit Entwicklungen zur statischen Abdichtung, Akustik, Schwingungsreduzierung, Strukturverstärkung und zu Verbundwerkstoffkomponenten unter anderem für die Automobil- und Luftfahrtindustrie einen Namen gemacht hat. Erster Schritt zur Herstellung der Verstärkungselemente ist das Umformen und Hinterspritzen der Zuschnitte aus Tepex in einem Prozessschritt per Hybrid Molding-Verfahren. Anschließend wird das resultierende Verbundbauteil mit einem hitzeexpandierenden Schaumklebesystem auf Epoxid-Basis beschichtet. Das beschichtete Teil wird an der Karosserie befestigt und durchläuft mit ihr die kathodische Tauchlackierung (KTL). Durch die hohen KTL-Temperaturen schäumt der Strukturschaum auf und verbindet sich mit dem ebenfalls an der A-Säulenhülle befestigten, hochfesten Stahlblech zu dem verstärkenden Hybrideinleger. Dieser letzte Schritt erfolgt in einem komplett automatisierten und qualitätsüberwachten Fertigungsprozess, den Porsche entwickelt hat.

Unterstützung bei der Bauteilentwicklung

LANXESS hat Porsche und L&L Products im Rahmen seines HiAnt-Kundenservices umfangreich bei der Entwicklung der Hybrideinleger und der A-Säule unterstützt. „Zu den Leistungen zählten beispielsweise die Simulation der Umformung (Drapierung) der Zuschnitte aus Tepex, die Füllsimulation für die Hinterspritzung und die Verzugsberechnung. Außerdem wurden für Porsche zur Simulation des mechanischen Verhaltens der A-Säule Materialkennwerte ermittelt und zur Verfügung gestellt“, erläutert Jean-Marie Olivé, Experte in der Anwendungsentwicklung von HPM.

Erstes Vollkunststoff-Bremspedal

Tepex dynalite ist bei Porsche bereits in einem anderen sicherheitsrelevanten Bauteil im Serieneinsatz. So wird mit ihm im Hybrid Molding-Verfahren das Bremspedal unter anderem für den Porsche 918 Spyder, Porsche Macan und Porsche Panamera NF gefertigt. Das Bauteil ist das erste Vollkunststoff-Bremspedal im Serieneinsatz und wurde 2016 von der Society of Plastics Engineers (SPE) mit einem ersten Platz beim Automotive Award in der Kategorie „Innenausstattung“ (Body Interior) ausgezeichnet.