Kunststoffe für sparsamere Autos

New York, Athen, Peking: Der Herbst ist rund um den Globus traditionell die Zeit der großen Marathonläufe. 40.000 Teilnehmer allein beim Lauf in der deutschen Hauptstadt Berlin – und alle wissen: Besser, man geht rank und schlank an den Start. Denn eine Läufer-Daumenregel sagt: „Jedes Kilo weniger auf den Rippen lässt dich ein bis zwei Minuten schneller ins Ziel kommen.“

Was für Ausdauer-Athleten stimmt, gilt auch für Tempo-Spezialisten, die weltweit von ganz anderen „Trainern“ auf Höchstleistung getrimmt werden: Automobile. „Jeder weiß, dass überflüssiges Gewicht Treibstoff kostet“, sagt Ralf Zimnol, Leiter der Anwendungsentwicklung in der LANXESS Business Unit Semi-Crystalline Products (SCP), die sich mit besonders belastbaren Kunststoffen auskennt. „Darum sollte man zum Beispiel Wasserkisten nicht länger als nötig im Kofferraum haben.“ Denn auch Ingenieure haben eine Marathon-Daumenregel: 100 Kilo Zusatzgewicht können bei einem Mittelklassewagen bis zu einem halben Liter Sprit auf 100 Kilometer ausmachen. Deshalb lautet nicht nur beim Wettlauf, sondern auch bei Autoherstellern die Devise: Besser, man schickt die Produkte so leicht wie möglich ins Rennen.

Eine ideale Zutat für die Auto-Diät sind Kunststoffe. Das zeigt schon ein einfacher Vergleich: Polymere Werkstoffe bringen nur rund ein Sechstel bis ein Siebtel des Gewichts von Stahl auf die Waage. Selbst Aluminium ist deutlich schwerer – und gegenüber ausgesprochen leichten und teuren Exoten wie Magnesium können Kunststoffteile immer noch technische Vorteile in die Waagschale werfen: Haken, Ösen, Schraubgewinde, Schnapper, Halterungen und ähnliches können in ein Kunststoffteil gleich mit eingeformt werden – Experten nennen das „Funktionsintegration“. „Oft kann man Kunststoffprodukte sogar so konstruieren, dass sie gleich mehrere Metallteile ersetzen“, so Zimnol. Das verkürzt nicht nur die Montagezeiten, sondern sieht auch auf der Waage gut aus: Nur zwei Schrauben statt 15 zu verwenden – auch das spart Gewicht!

So haben Ingenieure in den vergangenen Jahrzehnten eine regelrechte Jagd auf Metallteile gemacht, um sie durch Kunststoffprodukte zu ersetzen – und das bei weitem nicht nur im Cockpit, sondern sogar im heißen Motorraum: Ladeluftverteiler, Ansaugrohre, Drosselklappensysteme, Motorlager – das alles ist schon aus Kunststoff machbar. Besonders stabile, faserverstärkte polymere Highend-Werkstoffe haben inzwischen ähnliche Kennwerte wie Stahl, wiegen aber bei vergleichbarer Leistungsfähigkeit nur die Hälfte.

Allerdings: Viel leichter wurden die Autos trotzdem nicht. Denn Airbags, Klimaanlage, elektrische Fensterheber und andere technische Neuerungen wiegen schließlich auch einiges. Also: Ring frei zur zweiten Runde! Frage: Kann man sogar Kunststoffteile noch leichter machen? Vielleicht durch ultraleichte und zugleich hochfeste Kohlefasern? Ja, das funktioniert tatsächlich – ist aber für den Massenmarkt zu teuer. Bei LANXESS hatte man bereits vor rund 20 Jahren eine bessere Idee. „Unsere Lösung lag paradoxerweise im Rückgriff auf Metalle“, sagt Ralf Zimnol. Denn Kunststoffe sind zwar leichter, die Bauteile müssen aber oft dicker ausgelegt werden als beim Werkstoff Stahl, damit sie ähnlich stabil sind. Das frisst einen Teil des Diäterfolgs wieder auf. „Wir haben uns gedacht: Was passiert eigentlich, wenn man Kunststoff-Bauteile an entscheidenden Stellen durch dünne Metallbleche verstärkt?“, erinnert sich der LANXESS Forscher.

Die Idee entpuppte sich als goldrichtig; die auf den Namen „Hybridtechnik“ getaufte Idee funktionierte tatsächlich. Inzwischen sind so genannte Frontends „aus dem Besten zweier Welten“, also komplexe Funktionsteile aus Stahlblech und Polyamid, so normal wie Klimaanlagen: „In den vergangenen zehn Jahren sind weit über 40 Millionen dieser hochbelastbaren Karosserie-Strukturbauteile mit Hilfe der LANXESS Hybridtechnik gefertigt worden“, berichtet Zimnol. „Allein 2008 wurden 70 verschiedene Serienfahrzeuge mit Frontends aus dieser Materialkombination ausgerüstet.“
Und nicht nur mit Frontends stehen LANXESS Konzepte an vorderster Technologie-Front: Längst schreiben auch Dachrahmen, Pedallagerblöcke und Bremspedale für Pkw die Hybrid-Erfolgsstory fort. Letztere bringen 40 Prozent weniger auf die Waage als Stahlbauteile, sind obendrein um ein Fünftel günstiger herzustellen und dennoch höher belastbar. Auf den CAD-Bildschirmen der Automobilentwickler leuchten inzwischen auch Türen, Heckklappen, Hauben und sogar hochbelastbare Ölwannen in Hybridtechnik. „In viele derartige Neuentwicklungen sind wir sehr eng eingebunden – schließlich verfügen wir über ein einzigartiges Know-how in dieser Verbundtechnik“, sagt Zimnol.

Das erlaubt den LANXESS Technikern zugleich, weiterzudenken – um selbst Hybridbauteile noch stabiler zu machen. Eine Möglichkeit: Dünne Stahlbleche mit Spezialklebstoffen zu beschichten und erst dann mit dem Kunststoff zu kombinieren. „In der Hybridtechnik werden Polymer und Verstärkungselement durch kleine Durchbrüche und Vertiefungen im Metall miteinander verbunden. Der Kunststoff fließt hinein und hindurch, härtet aus – und hält dadurch alles zusammen. Beim so genannten ‚Hybridkleben‘ bekommen wir dagegen einen vollflächigen Verbund, der noch ein ganzes Stück stabiler sein kann“, erläutert Zimnol. Zum Vergleich: Genagelte Holzbretter kann man mit etwas Kraft auseinander reißen. Bei gut verleimten ist das deutlich schwieriger, wenn nicht gar ganz unmöglich.