Aus dem Nähkästchen eines Faserexperten

Allgemein, Leichtbau

Hans Schwager kennt die technologischen und kommerziellen Herausforderungen von Faserverbundwerkstoffen wie kaum ein anderer: Dem K-MAGAZIN erlaubte er einen exklusiven Blick in sein Nähkästchen.

Seit Mitte der 70er-Jahre war Hans Schwager im Entwicklungsbereich bei BMW beschäftigt. Angefangen als Konstrukteur im Rohbau über verschiedene Stationen trug er die letzten 16 Jahre die Verantwortung für die Kunststoffentwicklung über alle Baureihen. Seit seinem altersbedingten Ausscheiden unterstützt und betreut er mit seinem Beratungsbüro Consulting4Carbon diverse Kunden im technischen Umfeld. Ein Thema, das ihm dabei besonders am Herzen liegt, ist der Einsatz von PUR als Matrixmaterial.

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Hans Schwager war 16 Jahre für die Kunststoffentwicklung aller BMW-Baureihen verantwortlich. Foto: K-Magazin/Lubos

Denn die Vorteile von Polyurethan als Matrixmaterial für Verbundwerkstoffe sind für Schwager aufgrund der mechanisch-physikalischen und der Prozesseigenschaften offensichtlich. Aufgrund der niedrigen Viskosität ergeben sich Vorteile im Prozess und somit weniger Trockenstellen – und damit eine bessere Bauteilqualität. Zudem kann der Verarbeiter mit erheblich geringeren Drücken arbeiten als etwa bei Epoxidharzen, was wiederum die notwendige Investition deutlich geringer ausfallen lässt. In Zahlen: Wo sonst eine 5.000-t-Presse benötigt wird, kommt man bei PUR mit um den Faktor 10 geringeren Drücken und entsprechend kleineren Pressen aus.
Hinzu kommen die Verarbeitungstemperaturen.

Bei Epoxidharzen sind nach Erfahrung von Hans Schwager häufig Temperaturen von 120 °C und darüber nötig. PUR werde im Normalfall zwischen 80 und 90 °C verarbeitet. Damit würden rund 40 % weniger Energie verbraucht. Auch das trägt zum Kostenvorteil von PUR gegenüber den Alternativ-Werkstoffsystemen bei.Für Schwager besteht deshalb kein Zweifel, dass diese Vorteile langfristig zu einer Zunahme von PUR als Matrixmaterial führen werden. Allerdings wirkt sich nach seiner Auffassung momentan bremsend aus, dass viele Verarbeiter bereits große Pressen für Faserverbundteile in ihren Produktionen installiert haben und diese natürlich auch gerne weiterverwenden möchten.

In der Serienfertigung bewährt

Dass Faserverbundteile mit einer Matrix aus PUR in der Praxis bestens funktionieren, beweist eine ganze Reihe von Serienfahrzeugen. Allen voran der BMW Z1 aus den 80ern. Bei dem kleinen, leichten und für damalige Verhältnisse üppig motorisierten Cabrio bestanden nicht nur die Außenhautbauteile, sondern auch die Boden­struktur aus einem Faserverbund mit PUR-Matrix. Weitere Beispiele aus der BMW-Fertigung sind Motorsport-Strukturbauteile, die Motorradverkleidung der BMW K1 und ein Sandwich-Hardtop für den 3er BMW, das dank PUR-Faserverbund inklusive Glasheckscheibe nur 28 kg auf die Waage bringt.

Wie sich Hans Schwager erinnert, wurden diese Faserverbundentwicklungen in den 90er-Jahren weitergeführt, und zwar mit dem Hardtop für den BMW Z8 und der Cabrioabdeckung für den 6er BMW. Die Erfahrungen mit diesen Karosserieteilen aus glasfaserverstärktem PUR flossen dann 2012 in den i3 ein. Bei dem innovativen Elektrofahrzeug mit CFK-Karosserie ist die hintere Sitzwanne ein CFK-Bauteil mit PUR-Matrix. Einer breitflächigen Anwendung faserverstärkter Kunststoffteile steht allerdings immer noch der oft hohe Preis entgegen.

40 Prozent weniger Energie ist bei der Verarbeitung von PUR als matrixwerkstoff gegenüber üblichen Lösungen mmit Epoxi nötig

Schwager sieht hier zwar ein intensives Bemühen um Kostensenkung, mitunter allerdings mit den falschen Maßnahmen: „Ich sehe, dass man sich derzeit sehr viele Werkstoff­eigenschaften wünscht. Auch und gerade bei den Forschungsinstituten werden zunehmend Bauteile mit thermoplastischer Matrix im Strukturbereich hergestellt. Die meisten Thermoplaste stoßen aber mit ihren Eigenschaftsprofilen im Fahrzeuganforderungsbereich an ihre Grenzen. Schließlich sind hier Bauteilanforderungen im Toleranzbereich von minus 30 Grad bis plus 160 Grad Celsius zu berücksichtigen.“

Wer nun erwartet, dass diese Probleme mit dem Einzug elektrischer Antriebe der Vergangenheit angehören, wird von Hans Schwager eines Besseren belehrt: „Auch im elektrisch angetriebenen Auto entstehen hohe Temperaturen, und zwar vor allem an den Batterien. Ich kenne einen Zulieferer, der seit über zehn Jahren versucht, einen Batteriekasten aus Thermoplast und Endlosfasern zu bauen, ohne Erfolg. Mit einer duroplastischen Matrix hätte er sein Ziel sicherlich schon erreicht.“

Die immer noch große Verbreitung von Epoxi-Systemen erklärt Schwager mit dem Zeitvorsprung, der aus der Flugzeugindustrie stammt. Epoxi war hier anfangs das meistverwendete Duroplast-Material; entsprechend groß ist die Erfahrung bei der zugehörigen Simulation und den Werkstoffdaten. Dadurch haben die Unternehmen nur eine geringe Motivation neue Werkstoffkonzepte zu prüfen. Dazu kommt: „Für den Kunden ist die Materialauswahl am Fahrzeug oder Bauteil nicht kaufentscheidend. Hier zählen Kosten, Optik und Funktionalität“, so Schwager.

Alles beginnt beim Konzept

Der Tipp des Kunststoffexperten an alle Entwickler: „Damit die Funktion eines Teils gewährleistet ist, sollten schon zu Beginn der Bauteilentwicklung alle Lebensdaueranforderungen so genau wie möglich definiert werden.“
Weiteres Manko: In vielen Unternehmen erlebt der Berater auch, dass bei der Entwicklung von Teilen kein Konzeptvergleich durchgeführt wird.

28 Kilogramm leicht war das Hardtop des 1985 vorgestellten BMW E30 Cabrios – und dies trotz schwerer Glasheckscheibe. Möglich machten dies der Einsatz von Papierwaben, Glasfaser und PUR als Matrix und PUR-Hartschaum mit 30 % Glasfaser­anteil.

Doch diesen lässt sich nach fester Überzeugung von Hans Schwager kein zufriedenstellendes Resultat erzielen: „Nehmen wir an, wir wollen ein Bauteil konstruieren, dann müssen wir zunächst die technischen Anforderungen definieren und Prüfungen festlegen. Sind die Vorgaben festgelegt, werden die Werkstoffvarianten mit Prozess- und Herstellkonzept einem Kostenvergleich zugeführt. Aus diesem Vergleich entwickelt man ein Konzept. Dieses Konzept stellt man dann den verschiedenen Prozessvarianten gegenüber. Daraus ergibt sich dann eine optimale Lösung. Nun kann sich natürlich herausstellen, dass dieses Ergebnis mit hohen Kosten verbunden ist. Hier kann die nächstbessere Kombination – in Bezug auf Erfüllung der Kriterien – ausgewählt werden. Es nützt nämlich gar nichts, wenn das Teil extrem günstig ist, aber die geforderten Eigenschaften nicht erreicht. Genau das wird aber heute häufig nicht beachtet. In vielen Unternehmen werden zunächst die Kosten definiert und dann wird versucht, in dem gesteckten Rahmen die Vorgaben zu erreichen – was manchmal aber gar nicht möglich ist.“ Hier könnten bei der Konzeptauswahl Forschungsinstitute, Werkstoff- und Anlagenhersteller sowie Ingenieurbüros unterstützen.

Streetscooter gar nicht so vorbildlich

Die Verkleidung des Kultmotorrads BMW K1 besteht ebenfalls aus einer Faserverbundstruktur mit PUR. Foto: BMW
Die Verkleidung des Kultmotorrads BMW K1 besteht ebenfalls aus einer Faserverbundstruktur mit PUR.
Foto: BMW

Als Beispiel für einen fehlenden Konzeptvergleich nennt der Experte das viel gerühmte elektrische Postauto aus Aachen. Aus seiner Sicht ist der Streetscooter der Post „keine moderne Leichtbauentwicklung“. Zunächst basiere das Fahrzeug auf dem Golf 2, einem Fahrzeug von 1980, und zudem wurde aus Schwagers Sicht die Chance einer modernen Entwicklung mit einem Faserverbundkonzept nicht genutzt. So besteht der tragende Rahmen aus Metallrohren, die in Form eines Gitterrohrahmens zusammengeschweißt werden. Für Schwager wäre eine Konstruktion aus Faserverbundwerkstoffen mit verklebten Knotenecken eine wesentlich bessere Lösung.

In diese Grundkonstruktion hätte man zudem einen Sandwichboden hängen können, der in einer späteren Version auch noch die Batterie aufnehmen könnte. Denn um Kunststoffbauteile kostengünstig auszuführen, sollte man so weit irgendwie möglich die Integrationsvorteile nutzen. Das Resultat wäre extrem leicht und stabil und – durch Einsatz von Pultrusion – auch nicht besonders kostenintensiv. „Um auf solche Ideen zu kommen, braucht man aber den beschriebenen Wettbewerb der Werkstoffkonzepte“, so Hans Schwager.

In einen solchen Wettbewerb müsste nach seiner Überzeugung allerdings auch einfließen, dass das Verschweißen von Metallrohren eine etablierte und weitverbreitete Technik ist, da Faserverbundstrukturen zu pultrudieren und zu verbinden auf der Welt nur wenige Unternehmen beherrschen. Aus seiner langjährigen Erfahrung in der Automobilentwicklung weiß Schwager natürlich auch, wie schwer es ist, bei Beginn eines Projekts alle Anforderungen genau zu definieren: „Hier liegt das Kern-Know-how der Automobilhersteller und ich denke, das Projekt des Streetscooters wird jetzt, nachdem ein OEM mit eingestiegen ist, wohl fahrzeugspezifisch und effizient weitergeführt.“

Und wie geht’s mit PUR als Matrixmaterial weiter? Für die nähere Zukunft rechnet Schwager nicht mit einer sprunghaften, aber mit einer kontinuierlichen Zunahme dieser vielversprechenden Kombination. Seine Erklärung für die Verzögerung: „Die etablierten Systeme sind tief in der Branche verwurzelt und kein Unternehmer ersetzt eine funktionierende Technologie ohne Not durch eine andere, obwohl mittlerweile faserverstärkte Kunststoffe mit PUR-Matrix im Flugzeugbau aufgrund der deutlichen Zykluszeitverkürzung und der damit verbundenen Kostenersparnis zunehmend Anwendung finden.“

„Die Vorteile von Polyurethan als Matrixmaterial für Verbundwerkstoffe sind aufgrund der mechanisch-physikalischen und der Prozesseigenschaften offensichtlich.“, Hans Schwager.

Hoffnung macht dem erfahrenen Automobilentwickler auch, dass „die individuelle Mobilität und die ständig neuen Produkte am Markt in den kommenden Jahren das Portfolio massiv verändern werden. Dabei werden neue Werkstoffkonzepte – von der prozesstechnischen Umsetzung bis hin zur Charakterisierung mit Prüfung und Versuch – eine wichtige Rolle spielen“.

Günter Kögel und Philipp Lubos

Aufmacherbild: BMW