Polyurethan im Automobil: Von der Gewichtsreduktion zum Leichtbau

Dr. Rolf Albach, Product Research, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, Germany

Der Legende nach soll John Montagu, 4. Earl of Sandwich, in den 1760er-Jahren das „Sandwich” als Fleisch zwischen zwei Toasts erfunden haben. Im 21. Jahrhundert ist das Sandwich längst keine kulinarische Spezialität mehr, sondern hat Einzug in viele Bereiche des täglichen Lebens gefunden, so auch in den Automobilbau. Wir konzentrieren uns hier auf das, was zwischen den Deckschichten ist. Die Deckschichten sind ein eigenes spannendes Thema.

Chemie kann auf drei Ebenen einen Beitrag zur Gewichtseinsparung im Automobil leisten. Diese unterscheiden sich durch die Projektintegration, die die Innovation von den Beteiligten erwartet.

1. Verringerung der Dichte der Materialien im Standardaufbau der Sandwichstruktur
    • Zusammenarbeit ist vor allem auf der Ebene von Erprobung und Freigabe notwendig.
2. Zusatznutzen und Veränderung im Standardaufbau der Sandwichstruktur
    • Schon in der Entwicklungsphase ist die Zusammenarbeit auf Lieferantenebene und die Zustimmung des OEM notwendig.
3. Neuentwicklung von Bauteilen durch Einführung von Sandwichstrukturen
    • Dies erfordert eine Integration aller Beteiligten von den Materialien zum OEM.

Die drei Möglichkeiten werden im Folgenden durch Beispiele aus der aktuellen Entwicklung illustriert.

Armaturenbretter: ein Beispiel für Gewichtseinsparung über Materialdichte
Armaturenbretter sind als Sandwichstruktur aus faserverstärktem neuerdings meist geschäumtem Kunststoff (meist PP) als Träger, einer Kernlage aus halbhartem oder weichem Polyurethanschaum und einer Haut aufgebaut (Abbildung 1a). Die Haut kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Neuere Entwicklungen sind geschäumtes PVC (Abbildung 1b) und Häute aus zwei Lagen Polyurethan, einer überwiegend massiven und einer geschäumten. Das so gebildete Sandwich hat dann zwei geschäumte Kernlagen unterschiedlicher Dichte (Abbildung 1c).

Neue kraftvollere Airbags und empfindliche Assistenzsysteme werden so von Sandwichstrukturen getragen, die aus Materialien kontinuierlich abnehmender intrinsischer Festigkeit bestehen. Abbildung 2 illustriert die abnehmende Festigkeit für einen Ausschnitt aus dem in Kernlagen verbreitet eingesetzten Portfolio von Bayfill-basierten Schaumstoffen. Die Festigkeit nimmt potentiell mit der Dichte ab. Dies stellt eine Herausforderung für die Festigkeit des Gesamtsystems dar. Die Chemie kann naturgesetzliche Abnahme der Festigkeit teilweise durchaus kompensieren. Eine kundenspezifische Anpassung von mechanischen Eigenschaften ist in gewissem Maße möglich. Gewichtsreduktion mit weiterhin kundenspezifischer Eindruckhaptik ist der Treiber für die chemische Neuentwicklung sehr gut fließender Bayfill-Systeme (Abbildung 3). Diese Bayfill-Systeme erlauben, je nach Referenz, 10-25 % Gewichtseinsparung. Dabei ist das Ziel, dass die Materialien für Haut und Träger ohne Anpassung weiter genutzt werden können.

 

 Abb-1a-REM_Querschnitt_I-Ta Abb-1b-53IF33_REM_PVC_foam_ Abb-1c-Bayfill_mit_Spruehhaut
Abbildung 1a: Querschnitt eines Armaturenbretts bestehend aus glasfaserverstärktem PP (>1350 kg/m³, unten), Bayfill-basiertem PUR-Schaumstoff (~120 kg/m³, Mitte) und PVC (~1170 kg/m³, oben)

Abbildung 1b:
Grenzbereich zwischen PUR-Schaumstoff (unten) und geschäumtem PVC (oben)


Abbildung 1c:
Grenzbereich zwischen PUR-Schaumstoff (unten), geschäumtem und massivem PUR-Sprühelastomer (oben)

 

 Abb-2-Bayfill_Dichte_Stauchhaerte_deAbbildung 2:
Dichteabhängigkeit der Stauchhärte von Schaumstoffen auf Basis von Bayfill.

Die Theorie sagt für kubische offene Zellen, dass die Stauchhärte einem ­Potenzgesetz der Formel „y ~ Dichtex“ folgt. Für vollständig offenzellige Systeme erwartet die theorie einen Exponenten x = 2. Zellwände sollten den Exponenten senken. REM-Bilder von Bayfill-basierten Schaumstoffen zeigen, dass die Zellen zu 80–90% intakt sind, aber die gefundenen Exponenten liegen im Bereich von x = 2,1–2,3.

Die Abbildung zeigt eine Auswahl von Bayfill-basierten Schaumstoffen. Dies zeigt einen Trend im Design: Halbharte Schaumstoffe werden immer mehr durch weichere Typen ersetzt.

 

Die parallele Evolution von Materialien, die in einer Struktur verbunden sind, führt zu einer ständig zunehmenden Vielfalt an Kombinationen und Eigenschaften. Dies entspricht dem Druck des Marktes zu Markendifferenzierung. Andererseits steigt die Komplexität in der Produktion und bereits in der Designphase dadurch, dass sich sehr lange noch Veränderungen ergeben können. Die Tatsache, dass auch polymere Materialien miteinander wechselwirken, ist zwar lange bekannt, wird aber immer wieder unterschätzt. Sie bleibt eine Herausforderung für die Ausbreitung von Sandwichbauteilen in der Automobilindustrie.

Dachhimmel: Mehrwert bei konstantem Gewicht
Dachhimmel sind Sandwichbauteile auf Basis einer Kernlage aus tiefziehbarem PUR-Hartschaumstoff und zwei Deckschichten aus faserverstärktem Polyharnstoff, die ihrerseits mit Papier und Dekorfolien abgedeckt sind (Abbildung 4). Der oben beschriebene klassische Ansatz zur Gewichtseinsparung durch Absenkung der Dichte der Kernlage scheint in Europa in den ersten Jahren des Jahrtausends weitgehend umgesetzt worden zu sein und nun an Dynamik verloren zu haben. Diejenigen, die heute weiter Kernlagen mit 25-30 kg/m³ statt 21 kg/m³ Dichte nutzen, die tun das aus gutem Grund.

Daraus ergibt sich die Frage, ob ein anderer Weg nicht ebenso zu Einsparungen führen könnte. Wir haben gezeigt, dass Schaumstoff mit einer Dichte von 40 kg/m³ vergleichbare Biegesteifigkeit aufweist wie ein Schaumstoff mit einer Dichte von 21 kg/m³ und doppelter Wandstärke (Abbildung 5). Dies könnte eine Möglichkeit sein, über Bauhöhe Gewicht zu sparen. Die Möglichkeiten, im Dachhimmelsandwich Gewicht durch eine neue Balance von Kernlage, Fasern und Kleber einzusparen, werden gerade untersucht.

 

Abb-3-Grafik-EN-4Abbildung 3: Die Entwicklung von Schaumstoffen mit niedriger Dichte in dünnwandigen Bauteilen muss den Polymeraufbau mit dem Ziel optimaler Fließfähigkeit steuern. Fließfähigkeit bedeutet geringe Reibung innerhalb des fließenden Schaumes, aber auch zu den Wänden. Die Reynoldszahl beschreibt dabei einen wichtigen Teil, das Verhältnis von Massenträgheit – die mit der Dichte sinkt – und der inneren Reibung, der Viskosität. Je geringer die Viskosität desto weniger Innendruck muss der Schaum entwickeln, um den Schaum in der Form voran zu treiben. Die Abbildung zeigt die Entwicklung der Viskosität für ein aktuell verkauftes Bayfill-Schaumsystem und einem System der neuen Generation.

 

Abb-4-Grafik-EN-5Abbildung 4: Typisches Sandwichdesign eines Einstufen-Dachhimmels. Ein Kern aus PUR-Schaumstoff wird eingefasst von Deckschichten aus glasfaserverstärktem Polyharnstoff und Dekorvliesen. Im Zweistufenprozess würde hierauf noch eine Folie aus flammkaschiertem PUR-Weichschaum aufgeklebt.

 

Es könnte Einsparmöglichkeiten in der Innenraum-Schallabsorption geben, wenn der Dachhimmel mit seiner großen Fläche dafür mehr Verantwortung übernähme. Vor allem ein OEM hat dieses Konzept vorangetrieben und es wurden schallabsorbierende, tiefziehbare PUR-Hartschaumstoffe mit Dichten von 21-26 kg/m³ als Kernlagen entwickelt und sind seit 2011 im Markt erhältlich. Die Schaumstoffkerne sind im Vergleich zum Standard doppelt so dick und wiegen damit zunächst ca. 125 g/m² mehr. Dies wird z. T. durch Einsparungen im Dekor kompensiert. Die Offenzelligkeit muss deutlich über 90 % liegen, während die Werte bei Dachhimmel-Kernen normalerweise auch bei 80 % und darunter liegen können. Darunter leiden derzeit noch die mechanischen Eigenschaften. Die Produktentwicklung verläuft noch sehr dynamisch.

 

Abb-5-Biegesteifigkeit_Baynat_deutschAbbildung 5: Die Biegesteifigkeit von zwei Schaumstoffplatten unterschiedlicher Wandstärke und Dichte zeigt, dass eine Platte von 20 mm Stärke und 22,5 kg/m³ die gleiche Steifigkeit aufweist wie eine Platte von 10 mm Stärke und 45 kg/m³. Typische Kernlagen von Dachhimmeln sind bei 21 kg/m³ nur 6–8 mm stark. Das Konzept sollte sich jedoch übertragen lassen.

 

Abb-6-Baynat_Akustik_DeutschAbbildung 6: Messung der Luftschallabsorption von halbharten Schaumstoffen mit dem Kundt’schen Rohr. Diese steifen Schaumstoffe mit 22 kg/m³ haben gegenüber Weichschaumstoffen Vorteile im niederfrequenten Bereich, aber Nachteile im hochfrequenten Bereich. Der Vergleich wird hier nicht gezeigt. Es ist relevant, weil Elektromotoren stärker im Bereich hoher Frequenzen Schall emittieren als Verbrennungsmotoren. Der Nachteil bei hohen Frequenzen wird in der Kombination mit Leichtschaum überwunden. Damit wird auch noch Gewicht eingespart, ohne die Wandstärke zu erhöhen.
 

abb-7-Baynat_PIR_DeutschAbbildung 7: Es ist nicht überraschend, dass PIR-Technologie die thermische Stabilität offenzelliger Halbhartschaumstoffe verbessert. PIR-Schaumstoffe gelten jedoch als spröde, speziell wenn nur Wasser als Treibmittel eingesetzt wird. Daher war es überraschend, dass die Schaumstoffe weiterhin ihre Elastizität und Tiefziehfähigkeit behielten.
 

Ein einfacher Weg, Schallabsorption mit weniger Kompromissen bezüglich Bauraum und Gewicht zu verbessern, ist, Schaumstoffe miteinander zu kombinieren. Die Verbindung von schallabsorbierendem Hartschaum mit Weichschaum oder halbhartem Leichtschaum führt zu Synergien (Abbildung 6). Hintergrund ist vermutlich die Brechung an der Grenze zwischen den Schaumstoffen. Der Effekt wird bereits heute in Weichschaum-Schallabsorbern für Büroräume genutzt. Der Einsatz von steiferem Hartschaum kann helfen, von Rahmenkonstruktionen zu selbsttragenden Lösungen zu kommen.

Die Übertragung vom Automobilinnenraum zur Schallabsorption im Motorraum erfordert erheblich höhere Temperaturfestigkeit. Je weniger Bauraum durch Kompaktbauweise um den Motor herum verfügbar ist, desto höher sind die Anforderungen. Heute ist das Akustikpaket im Motorraum von Faservliesen, Weich- und Integralschaumstoffen (meist >60 kg/m³), PUR-Leichtschäumen (12-15 kg/m³) dominiert, die alle kaum eine strukturelle Eigensteifigkeit aufweisen. Durch Wechsel von PUR-modifizierten Polyharnstoffschaumstoffen zu PIR- modifizierten Polyharnstoffschaumstoffen konnten 70 °C zusätzliche Temperaturfestigkeit gewonnen werden (Abbildung 7). Der Gewinn an Temperaturfestigkeit war nicht überraschend, wohl aber die Tatsache, dass die Elastizität und Tiefziehfähigkeit erhalten blieb. Damit stehen hier Schaumstoffe zur Verfügung, die weiterhin mit den bekannten Technologien zu Sandwichstrukturen verarbeitet werden können, aber zusätzlich zu Standardkernlagen Temperaturfestigkeit und akustische Aktivität gewonnen haben.

Heckklappe: vom Metall zu crashrelevanten Sandwich-Strukturbauteilen?

Der Ersatz von metallischen Werkstoffen durch faserverstärkte Duromere oder Organobleche ist einer der zentralen Trends im Leichtbau. Sandwichkonzepte mit Schaumstoffkern haben dabei immer wieder eine Rolle gespielt. Beispiele sind Mercedes SL oder VW XL1. Solche Sandwichbauteile gehören aber weiterhin zu den eigentlich „unmöglichen Markteintrittssegmenten mit besonders hoher Verantwortung wie Sicherheitsbauteile im Automobilbau” (McKinsey Quarterly, Frühjahr 2012).

Materialkarten für Crashsimulationen sind verfügbar, Herausforderungen wie Hochglanzoberflächen oder bionische Verankerungen für Scharniere im Schaumstoff wurden angegangen (Abbildung 8). Es bleiben Herausforderungen wie die Integration von PUR-Schaumstoffen in Standardprozesse des Karosseriebaus, z. B. die Lackierstraße. Bayer MaterialScience wird auch in Zukunft weiter seinen Beitrag leisten, diese Herausforderung für Polyurethanwerkstoffe abzuarbeiten.
Abbildung 1a: Querschnitt eines Armaturenbretts bestehend aus Glasfaser-verstärktem PP (>1350 kg/m³, unten), Bayfill-basiertem PUR-Schaumstoff (~120 kg/m³, Mitte) und PVC (~1170 kg/m³, oben).

 

Abb-8-Grafik-EN-9Abbildung 8: Ein Kofferraumdeckel dient als Demonstrator für eine crashrelevante Sandwichstruktur. Die rote Deckschicht ist ein Makroblend PC-/PBT-basiertes Organoblech. Die schwarze Kernlage ist ein in der Automobilbranche bekannter energieabsorbierender PUR-Schaumstoff. Der Vorschlag für eine Verankerung des Scharniers im Schaumstoff ist links oben im Bild in Weiß zu sehen.