Konzepte für kosten- und gewichtsoptimierte Anwendungen im Automobil Ralf Zimnol Düsseldorf 27.August 2009
Gliederung Materialeinsatz und CO 2 Diskussion Anwendungsbereiche und Trends Weiterentwickelte Polymere und deren spezifischen Eigenschaften Konzeptlösungen Berechenbarkeit und CAE Methoden Zusammenfassung 1
CO 2 Emissionstabelle der OEMs in Europa und das Ziel für 2012 100kg Gewichtseinsparung bedeuten ungefähr 0,5 L/100km weniger Verbrauch oder ca. 13 g/km weniger CO 2 Ausstoß CO 2 Emission g/km Heutiger Mittelwert aller Autos EU Richtlinie bis 2012 0 50 100 150 200 Quelle: polymotive 2
Materialeinsatz in modernen Fahrzeugen Anteil Kunststoffe ca. 15 % Liste der verwendeten Materialien im VW Passat Stahl Total 1429 kg 6% Sonstige Kunststoffe Aluminium 53% 13% 14% Glas Elastomere Fluids Cast Iron 3% 4% 5% 2% Quelle: polymotive 3
Beitrag der technischen Thermoplaste im KFZ zum Leichtbau 4
Entwicklungstrend nach Anwendungsgebieten Einsatz und Möglichkeiten von Kunststoffen Motorraum Innenraum Verglasung Strukturbauteile Rohkarosserie (Hybrid) Außenanwendung: - Karosserieteile - Stoßfänger - Kleine Bauelemente Elektro / Elektronik Reifen 5
Entwicklungsschwerpunkte technische Thermoplaste Funktionale Polymere Optimierte Verarbeitung durch neue,intelligente Rezepturen und Harzentwicklungen (Reduzierung von Zykluszeiten, Werkzeugwartung, Maschinengröße etc.) Hochmodul Materialien Flammwidrigkeit Kostenreduktion durch Ersatz von Spezialitäten Neue Materialkombinationen (z.b. PA/Organobleche) Optimierte Metallisierbarkeit 6
Funktionale Polymere Kohlefasern Antistatik ( 1000 Ohm) PA 6 (Durethan DP BC F 30 X) Carbon Nanotubes (CNT) Antistatik PA 6 Flammschutz (FR) halogenfrei, PA 6, PA 66, PBT halogenhaltig Laserdirektstrukturieren Leiterbahnen PBT (LDS) (Pocan DP 7102, DP T7140) Spritzgegossene Magnete PA 6 Laserbeschriftung PA 6, PA 66, PBT Laserschweißen eingefärbt, farblos PA 6, PA 66, PBT Wärmeleitfähigkeit hochgefüllte wärmeleit- PA 6, PA 66, PBT fähige Additive Abrasionsarme Typen geringer Gleitwiderstand PA 6, PA 66 7
Fallbeispiel Kraftstofffilter Innenrohr Durethan BCF 30 X H2.0 elektrostatisch ableitendes Material auf Basis PA 6 mit C-Fasern Hersteller: Mann+Hummel 8
Entwicklungsstufen Durethan Easy Flow und Xtreme Flow Sorten Ziele Zähigkeit Standard Easy Flow Xtreme Flow gutes Fließverhalten hohe Zähigkeit andere Eigenschaften gleichbleibend Fließlänge 43 cm 70 cm 78 cm 9
Entwicklung von Durethan EF and XF hochgefülltes Durethan BKV 60 EF 25000 Hoher Modul bei hohen Temperaturen: 20000 Hohe Einsatztemperaturen von 170 C und höher E-Modul [MPa] 15000 10000 5000 0 Durethan BKV 60 EF Durethan BKV 30 23 80 120 170 Hohe Wärmeleitung (60%GF) und früheres Entformen bedingt durch hohe Steifigkeit führen zu kürzeren Zykluszeiten. Temperatur [ C] 10
Hochleistungsthermoplaste 300 Durethan AKV 50 PPS GF30 PA12 GF50 250 Durethan BKV 50 PPS GF+Min 65 Bruchspannung [MPa] 200 150 100 Durethan AKV 50 Durethan BKV 50 PPS GF30 PSU GF 30 PA4.6 GF60 LCP GF30 Pocan T7391 Durethan BKV 60 EF PA12 GF50 PEI GF 45 PPS GF+Min 65 Pocan DP B3160 LCP GF 50 LCP GF 50 Durethan BKV 60 EF Pocan T7391 PEI GF 45 Pocan DP B3160 PSU GF30 LCP GF30 PA4.6 GF60 50 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 E-Modul [MPa] Einschränkung für PA und PBT ist die Einsatztemperatur gegenüber anderen Spezialitäten. 11
LANXESS Portfolio hochgefüllte Polymere E-Modul (fm) [MPa] E-Modul (kond.) [MPa] Bruchspannung (fm) [MPa] Bruchspannung (kond.) [MPa] Bruchdehnung (fm) [%] Bruchdehnung (kond.) [%] Durethan BKV 50 (PA 6 GF 50) 16.300 9.800 220 140 3,0 5,0 Durethan BKV 50 EF (PA 6 GF 50) 16.500 10.000 225 140 2,3 3,5 Durethan DPBKV60EF (PA 6 GF 60) 18.900 13.100 235 150 2,1 3,1 Durethan TP 159-520 (PA 6 GF 60 V-0) 21.600 210 1,8 Durethan AKV 50 (PA 6.6 GF 50) 15.300 10.200 230 152 2,6 4,3 Pocan T 7391 (PBT + PET GF 45) 15.000 165 1,7 Pocan DP B 3160 XF (PBT GF 60) 18.400 150 1,4 12
Vergleich der Materialeigenschaften (Datenblatt) relevant für Strukturbauteile BKV 30 BKV 60 EF Zugmodul kond. +23 C 14000 12000 13100 BKV 30 BKV 60 EF 250 200 222 BKV 30 BKV 60 EF Zugmodul cond. [MPa] 10000 8000 6000 4000 5900 rel. Zugmodul kond. [%] 150 100 50 179 175 100 100 100 2000 0 absolute Werte / Zugstab 0 Volumenneutral Gewichtsneutral Kostenneutral 13
Komplette Neukonstruktion eines Frontends mit BKV 60 EF Gewichtseinsparung. 100% 90% 100 % 80% 70% rel. Gewicht [%] 60% 50% 40% 30% 62 % 20% 10% Gewichtseinsparung ~ Kosteneinsparung! 0% Serie Neukonstruktion 14
Differenzierte Frontends Typ A: Hybrid Hauptstruktur Modul mit Metall/Kunststoff Struktur und integrierten Montagebereichen ausschließlich tragende Strukturen Typ B: Hybrid und große Flächen Modul mit tragender Funktion und großen, flächigen Bereichen aus Kunststoff zur Luftführung Typ C: Kunststoff und Bleche Modul aus Kunststoff mit nachträglich aufgebrachten Blechen Typ D: Kunststoff Steigender Anteil Metall Modul aus Kunststoff ohne Metallverstärkungen 15
Organobleche und Hybrid. Niedrigeres Gewicht und höhere Festigkeit. 3 Punkt Biegung mit 320mm Auflagerabstand Kraft [N] 9000 8000 7000 6000 5000 4000 Hybrid Organoblech Einleger Durethan BKV30 Gewicht 346g Hybrid Stahlblech 0,7mm und Durethan BKV30 Gewicht 400g 3000 2000 1000 0 0 10 20 30 Deformation [mm] 16
Organobleche. Vorteile. Vorteile Geringes Gewicht und hohe Festigkeit Hohe Energieabsorption (Crash) Geringerer oder kein Invest für Tiefziehwerkzeuge Keine Korrosion Einfaches Recycling (nur ein Material, recyclingfähig) Verschweißbar mit gleichem Kunststoff (PA) Geeignet für Serien bis zu 30.000 p/a< Herausforderungen Einfluss von Feuchte und Temperatur ist stärker Preis für die Halbzeuge Aufheizen der Organobleche vor dem Einlegen empfehlenswert 17
Sonderverarbeitungsverfahren GIT WIT 2-K (Kautschuk-Thermoplast) Mucell Extrusionsblasen, Coexverfahren Bild: Fischer W. Müller Blasformtechnik Film: Krupp-Kautex, Maschinenbau, Bonn 18
Kostenreduktion durch Blasformen im Monoverfahren Neue, weiche PA Typen als kostengünstiger Ersatz von Coex Bauteilen Hochtemperaturstabilisierungen ermöglichen den Einsatz bei hohen Dauergebrauchstemperaturen von 150-160 C und kurzzeitigen Spitzentemperaturen von 180-190 C. Durethan DP BC 600 HTS 19
Durethan Blow Molding Portfolio 9000 8500 8000 7000 cond. d.a.m. 7400 6300 Zugmodul kond. 6000 5000 4000 3000 2700 2500 5400 4000 3500 5300 2000 1000 500 1300 750 0 DP BC 600 HTS DP BC 500 BKV 315 Z TP 140-008 DP 2240/15 AKV 325 PA6 mod. PA6 mod. PA6 15GF PA6 25GF PA66 15GF PA66 25GF 20
Integrative Simulation. Faserorientierung in Bauteilen (Spritzguss). Orientierung durch den Füllprozess Ergebnis: Anisotrope Schichtstruktur V Kernschicht: zur Fließrichtung (Quellströmung) Randschicht: regelose Orientierung V Scherschicht: ll zur Fließrichtung Die Faserorientierung ist unterschiedlich über Bauteil und Dicke! 21
Integrative Simulation, Grundidee: Verbindung von Prozesssimulation und Strukturanalyse. Integrative SimulationProzess Simulation Prozesssimulation Strukturanalyse Faserorientierung Steifigkeit Festigkeit Schwindung Wärmeausdehnung Lokale Richtungen Spannungen/Verzug 22
PSA C4 Picasso: Body Inserts. Integrative Simulation: NVH. Freie, experimentelle Ermittlung der Eigenmode: LL Products / Ingemansson Simulation von LANXESS mit Integrative Simulation ~780g ~256g ~2300g Durethan ~9.5kg ~1542g 23
PSA C4 Picasso: Body Inserts. Integrative Simulation: NVH. Mode 1: Bending Mode 2: Bending / Torsion Test 185 Hz / Simulation 183 Hz Test 373 Hz / Simulation 372 Hz Mode 3: Torsion Mode 4: Bending Test 400 Hz / Simulation 383 Hz Test 467 Hz / Simulation 458 Hz 24
Zusammenfassung Der Einsatz von Polymeren wird sich aufgrund des zunehmenden Leichtbaus erhöhen. Weiterer Metallersatz fordert neue Hochmodul-Thermoplaste. Zusätzlich treibt die notwendige Erhöhung der Effizienz die Einsatztemperaturen im Motorraum nach oben. Hierbei ist der Kompromiss zwischen Kosten und Performance zu finden. Kostengünstige Alternativen zu Spezialpolymeren sind in gewissen Bereichen denkbar, z.b. bei Temperaturen bis 200 C oder im Bereich Blasformen. Weiterentwickelte CAE Methoden werden auch zukünftig helfen, vermehrt Kosten und Entwicklungszeiten zu reduzieren 25