Automobilkonstruktion Mit Kunststoffeinlegern die Karosserie definiert verstärken

Strukturelle Kunststoffeinleger für die Karosserie sind Bauteile, die hohe Anforderungen an das Crash-Verhalten erfüllen müssen. Derart komplexe Bauteile lassen sich heute effizient nur mit massiver rechnerischer Unterstützung konstruieren. Die BASF hat ihr CAE-Instrument Integrative Simulation zu diesem Zweck deutlich erweitert. Nun ist die Kombination Metall-Kunststoff-Strukturschaum, also ein System aus drei verschiedenen Materialien, vollständig berechenbar.

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Leichtbau in der Fahrzeugentwicklung ist ein Thema, das ständig an Bedeutung gewinnt: Leichte Strukturen sind einerseits wichtig zur Senkung des Flottenverbrauchs und damit der CO2-Emissionen. Andererseits bewirken steigende Anforderungen an die Crash-sicherheit und den Fahrkomfort eher einen Trend zu massiveren Bauweisen. Herkömmliche Fahrzeugkarosserien aus Stahl sind daher meist kombinierte Schweiß-Klebekonstruktionen, die lokal durch abgestimmte Metallbleche besonders an Knotenpunkten verstärkt sind. Das Leichtbaupotenzial eines thermoplastischen Kunststoffs, wie von Ultramid® B3WG6 CR, einem PA 6 mit 30 Prozent Glasfasern, besteht darin, die oft komplex geformten und schwierig einzubringenden Metallverstärkungen eines Karosserieteils durch intelligent gestaltete Kunststoff-Einleger zu ersetzen. Auf der einen Seite kann dies das Schwingungs- und Geräuschverhalten verbessern (NVH-Verhalten: Noise Vibration Harshness) und hat damit direkten Einfluss auf den Fahrkomfort. Auf der anderen Seite lassen sich die Polyamid-Kunststoffeinleger aber auch crashaktiv auslegen, um dem umgebenden Metall ein bestimmtes Verhalten im Crashfall aufzuzwingen.

Klebeverbindung: Kunststoff nahtlos integriert

Die zentrale Voraussetzung für den Einsatz von Kunststoffeinlegern in der Karosserie ist, dass sich das System nahtlos in die Fertigung integrieren lässt. Dies gelingt, wenn der spritzgegossene Kunststoff-Einleger auf definierte Weise mit einem expandierbaren Strukturschaum, also einem Klebstoff, umgeben wird. Wichtig ist dabei, dass der Strukturschaum noch nicht ausgehärtet und expandiert ist. Der so vorbereitete Kunststoff-Einleger wird in die entsprechenden Karosserieträger eingelegt und die Karosserie herkömmlich komplettiert. Während der nun folgenden kathodischen Tauchlackierung (KTL) reagiert das Schaumsystem noch nicht aus. Erst im anschließenden Trockenofen, bei 180 °C bis 200 °C, kommt es zum Aushärten des Schaumstoffs, der dabei kontrolliert expandiert und den Kunststoff von innen mit der Metallstruktur fest verbindet.

Gesamtsystem betrachten: Metall, Kunststoff und Klebstoff

Um solche Kunststoff-Einleger auszulegen, ist es unabdingbar, das Gesamtsystem aus Metall, Kunststoff und Strukturschaum zu betrachten. Die Auslegung erfolgt durch numerische Crash-Analysen vollständig virtuell auf dem Computer. Metalle sind traditionell in der Crash-Simulation gut zu beschreiben und dank der Integrativen Simulation der BASF ist auch glasfaserverstärkter Kunststoff inzwischen der Simulation zugänglich. Eine Herausforderung ist jedoch die Berücksichtigung des stark nicht-linearen Verhaltens der verschiedenen Strukturschäume und Kleber inklusive der Modellierung ihres Versagens, also der Ablösung der Verbindungsschichten im Crash-Fall.

Versuchsprogramm BASF/Sika

Zur Abbildung dieses komplexen Verhaltens hat die BASF zusammen mit ihrem Partner, Sika Automotive Belgium S.A., ein umfangreiches Versuchsprogramm durchgeführt. Sika Automotive, eine Tochtergesellschaft des weltweit aktiven Schweizer Unternehmens für Spezialchemikalien Sika, ist auf Produkte zum Kleben, Versiegeln, Dämpfen und Verstärken im Automobilbau fokussiert. Hergestellt wurde eine Vielzahl realer Versuchsbauteile bestehend aus einem U-förmigen Metallprofil, einem darin eingeschäumten Kunststoffeinleger sowie einem weiteren Metallblech, das mit dem U-Profil verschweißt wurde und das Ganze zu einem geschlossenen Profil macht. Ein solches Bauteil stellt in den Versuchen beispielsweise die B-Säule eines Fahrzeugs dar. Zu den variablen Randbedingungen gehörten Klebstofftyp, Verklebungsart, Verklebungsfläche, Material und Herstellung des Kunststoff-Einlegers. Daneben wurden zahlreiche Messungen an speziell hergestellten Schaumproben vorgenommen, um die lokalen Eigenschaften des Strukturschaums unter verschiedenen Belastungsarten zu bestimmen.

Integrative Simulation jetzt auch mit Klebstoff/Schaumstoff

Die Ergebnisse der Untersuchungen und CAE-Erkenntnisse sind in das Instrument der Integrativen Simulation der BASF eingearbeitet worden. Nun erlaubt es die Methode, das Verhalten des Gesamtsystems aus Metallstruktur, Kunststoff-Einleger und Strukturschaum mit guter Genauigkeit unter Crashbelastung vorherzusagen. Keine andere Methode auf dem Markt ist zur Zeit in der Lage, einen Beitrag dieser Art zum Karosserie-Leichtbau mit strukturellen Kunststoff-Einlegern zu leisten. Die Methode basiert auf einer eigens für den Schaum entwickelten Materialmodellierung, welche als „Userdefined Material“ in den drei wichtigen Crash-Codes LS-Dyna, PamCrash und Radioss zur Verfügung steht. Das numerische Materialmodell berücksichtigt dabei die schaumtypischen Eigenschaften wie starke Zug-Druck Asymmetrie aber auch das Verhalten unter Scherung und das für den Crash sehr wichtige belastungsabhängige Verhalten.

Mit der für diese Versuche verwendeten Geometrie von Metallstruktur und Kunststoff-Einleger ist der Weg frei für weitere Entwicklungen: Verbesserte Schaumwerkstoffe oder auch so genannte crashfeste strukturelle Verklebungen lassen sich ebenso testen wie verbesserte Kunststoffmaterialien für die Einleger.

* Dr.Stefan Glaser, CAE-Methoden und Strukturbazteile, BASF

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