Kunststoffteile für die Automobilindustrie: Arten, Materialien und Fertigung

Kunststoffe machen bei Pkw etwa 10 bis 15 % des Gesamtgewichts aus, und dieser Anteil steigt stetig. Für die Herstellung eines einzigen Fahrzeugs werden über 13 verschiedene Kunststoffarten verwendet, aus denen Tausende unterschiedlicher Autoteile wie Karosserieteile, Innenausstattung, Ansaugsystem und Stoßfänger gefertigt werden. Dieser Artikel bietet einen Überblick über die wichtigsten Kunststoffteile im Automobilbau.

Kunststoffteile in einem Auto

Kunststoffteile finden in modernen Pkw in verschiedenen Schlüsselbereichen breite Anwendung, darunter Innen- und Außenausstattungen, Antriebssysteme und Funktionskomponenten wie Instrumententafeln und Scheinwerfergläser. Um die Vielfalt dieser Anwendungen und ihren Beitrag zum Leichtbau von Fahrzeugen vollständig zu verstehen, sollten wir ihre Einbauorte und ihre jeweiligen Funktionen untersuchen.

Instrumententafel

Das Armaturenbrett ist eines der wichtigsten Funktionsbauteile und das strukturell komplexeste System im Fahrzeuginnenraum. Es arbeitet mit den Sitzen und Airbags zusammen, um die Insassen zu schützen, weshalb hohe Anforderungen an sein Design, seine Haptik (Textur/Haptik), seinen Komfort und seine Insassenschutzfunktionen gestellt werden. Das Armaturenbrett selbst lässt sich anhand seiner Oberflächenstruktur in harte und weiche Armaturenbretter unterteilen.

Armaturenbretter in Fahrzeugen bestehen überwiegend aus Kunststoff und unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer Steifigkeit. Die weiche Variante ist Polyurethan (PU), das relativ leicht ist und hervorragende Sicherheits- (Energieabsorption) und Schalldämpfungseigenschaften bietet. Die harte Variante ist Polypropylen (PP), das vergleichsweise günstiger ist. Hochwertige Fahrzeuginnenräume werden typischerweise mit Polyurethan ausgestattet.

Name	Material	Toleranz
Instrumententafel	PP/PU	± 0.005 ″

Instrumententafelabdeckung

Die Instrumententafelabdeckung wird im Spritzgussverfahren aus Materialien wie ABS, ABS/PC und verstärktem PP hergestellt. ABS und ABS/PC erfüllen die strengen Anforderungen an die Hitzebeständigkeit nur schwer und sind teurer als verstärktes PP, lassen sich aber leichter oberflächenbehandeln (z. B. lackieren, verchromen ), um spezifische Designwünsche zu erfüllen. Verstärktes PP erfüllt zwar die Anforderungen an die Hitzebeständigkeit, ist aber schwieriger mit speziellen Oberflächenbehandlungen individuell anzupassen. Die Materialauswahl erfordert ein Abwägen zwischen den tatsächlichen Leistungsanforderungen und den Kosten.

Name	Material	Toleranz
Instrumententafelabdeckung	ABS	± 0.005 ″

Mittelkonsolenpanel

Die Mittelkonsole befindet sich im zentralen Bereich des Armaturenbretts und beeinflusst dessen Gesamteindruck maßgeblich. Fahrzeughersteller ändern häufig das Design oder die Oberflächenbehandlung der Mittelkonsole, um kleinere Modellaktualisierungen oder -varianten zu realisieren. Dies erfordert exzellente Möglichkeiten zur individuellen Oberflächenbearbeitung. Aufgrund der häufigen Wartung von Elektronik- oder Klimakomponenten muss die Mittelkonsole einfach zu montieren und zu demontieren sein und daher eine gewisse Festigkeit und Robustheit aufweisen. Im Designprozess wird für die Mittelkonsole typischerweise ABS oder ABS/PC verwendet, mit Oberflächenveredelungen wie Lackierung oder Verchromung.

Name	Material	Toleranz
Mittelkonsolenpanel	ABS	± 0.005 ″

Handschuhfach/Box

Das Handschuhfach dient in erster Linie der Aufbewahrung von Gegenständen und dem Schutz der Knie des Insassen. Sein Erscheinungsbild muss mit dem Armaturenbrett harmonieren und erfordert mitunter eine zusätzliche Oberflächenbehandlung. Die Innen- und Außenverkleidungen des Handschuhfachs werden üblicherweise im Spritzgussverfahren aus modifiziertem Polypropylen (PP) oder Polycarbonat/ABS (PC/ABS) hergestellt. In Luxusfahrzeugen wird die Innenseite häufig beflockt, um Klappern und Geräusche während der Fahrt zu verhindern. Zubehörteile wie Griffe, Drehzapfen, Verschlüsse und Clips bestehen oft aus Polyoxymethylen (POM), das stoß- und verschleißfest ist.

Name	Material	Toleranz
Handschuhfach	PP/PC	± 0.005 ″

Lüftungsgitter

Die Lüftungsdüse besteht aus vorderen und hinteren Leitlamellen, dem Gehäuse, Dämpferklappen und einem Drehschalter. Die Lüftungsdüsen von Fahrzeugklimaanlagen werden häufig verstellt und sind wechselnden kalten und warmen Luftströmen ausgesetzt. Daher sind Materialien mit hoher Hitzebeständigkeit, Schlagfestigkeit, Flexibilität (Zähigkeit) und Formstabilität erforderlich. Empfohlene Materialien sind häufig PA6 oder ABS/PC für die Leitlamellen, ABS oder PP+T (talkgefülltes PP) für das Gehäuse, PP+T für die Dämpferklappen mit EPDM als Dichtungsring sowie verschleißfeste Materialien wie POM oder TPO für den Drehschalter.

Name	Material	Toleranz
Lüftungsgitter	ABS / PP	± 0.005 ″

Türverkleidungssystem

Die Türverkleidung besteht im Wesentlichen aus dem Hauptkörper (Substrat), der Einsatzblende, der Armlehne, der Zierleiste, dem Kartenfach und dem Lautsprechergitter. Der Hauptkörper bildet das Gerüst der gesamten Türverkleidung und trägt alle funktionalen und dekorativen Komponenten. Er muss daher ausreichend fest und formstabil sein, um seine Form zu bewahren und Verformungen zu vermeiden. Üblicherweise wird Polypropylen (PP) verwendet. Die Einsatzblende besteht aus dem gleichen Material wie der Hauptkörper. Aus Komfortgründen ist die Armlehne in der Regel dreilagig aufgebaut: Gerüst, Schaumstoffschicht und Außenhaut. Die Zierleisten werden im Hinblick auf die Gesamtoptik oberflächenbehandelt und bestehen meist aus ABS. Kartenfach und Lautsprechergitter bestehen aus dem gleichen Material wie der Hauptkörper.

Name	Material	Toleranz
Türverkleidungssystem	PP	± 0.005 ″

Stoßstange

Das Stoßfängersystem, bestehend aus Front- und Heckstoßfänger, beansprucht mit rund 42 % den größten Anteil des Kunststoffmaterials aller Karosserieteile. Als Sicherheitsbauteil absorbiert der Stoßfänger die bei einem Aufprall entstehende immense Energie und minimiert so das Verletzungsrisiko für die Fahrzeuginsassen. Daher muss er eine Reihe relevanter Tests und Vorschriften hinsichtlich seiner äußeren Vorsprünge und seines Crashverhaltens erfüllen. Beispielsweise muss er nach einem Aufprall mit 9 km/h in seine ursprüngliche Form zurückkehren und widerstandsfähig gegen Steinschlag sein. Bei der Materialauswahl für den Stoßfänger müssen Eigenschaften wie Haltbarkeit, Härte und Festigkeit sorgfältig berücksichtigt werden. Darüber hinaus muss das Material Eigenschaften wie Energieabsorption, Verformungsbeständigkeit und gute Formbarkeit aufweisen. Die Materialwahl ist daher entscheidend für die Erfüllung seiner Funktion.

Die vorderen und hinteren Stoßfänger werden üblicherweise aus Polypropylen (PP) gefertigt. Dies vereinfacht die Verarbeitung und senkt die Kosten, gewährleistet aber gleichzeitig ausreichende Elastizität und Dämpfungs- bzw. Energieabsorptionsfähigkeit des Stoßfängers und bietet so einen wirksamen Schutz der Fahrzeuginsassen. Zudem reduziert es die hohe Masse von Metallstoßfängern und trägt somit zur Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs bei.

Name	Material	Toleranz
Stoßstange	PP	± 0.005 ″

Scheinwerferglas

Die Scheinwerferlinse muss die Leuchtkraft des Scheinwerfers auch bei längerem Gebrauch ohne Leistungsverlust erhalten und die Lichtquelle schützen. Dies erfordert einen Kunststoff mit ausgezeichneter Formbarkeit, hoher Transparenz und ausreichender Oberflächenhärte. Hochleistungskunststoffe wie Polycarbonat (PC) sind daher aufgrund ihrer hohen Festigkeit, UV-Beständigkeit, Zähigkeit und hervorragenden Lichtdurchlässigkeit das Material der Wahl für Scheinwerferlinsen.

Name	Material	Toleranz
Scheinwerferglas	PC	± 0.005 ″

Lufteinlassgitter

Viele Fahrzeuggrills sind verchromt und wirken dadurch metallisch, bestehen aber tatsächlich aus Kunststoff. Die Hauptfunktionen des Lufteinlassgitters sind die Motorkühlung und die Steuerung des Luftstroms an der Fahrzeugfront, was hohe Anforderungen an die Formbarkeit des Materials stellt. ABS ist aufgrund seiner hohen Schlagfestigkeit, der guten Formbarkeit und der Eignung für die Galvanisierung ein gängiges Material für Grills.

Name	Material	Toleranz
Lufteinlassgitter	ABS	± 0.005 ″

Arten von Kunststoffen, die in der Automobilindustrie verwendet werden

Diese Werkstoffe lassen sich im Wesentlichen in Standardkunststoffe und technische Kunststoffe unterteilen. Ihre spezifischen Eigenschaften bestimmen ihre jeweiligen Anwendungen im Innen- und Außenbereich, in Antriebssystemen und Strukturbauteilen. Im Folgenden werden die physikalischen Eigenschaften, Verarbeitungseigenschaften und wichtigsten Vorteile von neun Schlüsselpolymeren – Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA) und Polycarbonat (PC) – detailliert beschrieben. Dies verdeutlicht den präzisen Einsatz der Materialwissenschaft in modernen Automobilen.

Polyethylen (PE)

Es handelt sich um einen kristallinen Kunststoff, der durch Polymerisation von Ethylen entsteht. Er weist gute Schmelzfließeigenschaften auf. Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) wird im Hochdruckverfahren hergestellt und hat einen geringeren Kristallinitätsgrad von 45–65 %. Es zeichnet sich durch gute Flexibilität, Bruchdehnung, Schlagfestigkeit und Transparenz aus. Polyethylen hoher Dichte (HDPE) wird im Niederdruckverfahren hergestellt und weist einen hohen Kristallinitätsgrad von 85–95 % auf. Es besitzt eine höhere mechanische Festigkeit und höhere Einsatztemperaturen und eignet sich daher für das Blasformen, Spritzgießen und Extrudieren von Flaschen, Behältern, Fässern, Platten, Rohren und Profilen.

Polypropylen (PP)

Es handelt sich um ein kristallines Polymer mit geringer Dichte und guter Hitzebeständigkeit. Seine Eigenschaften ähneln denen von Polyethylen (PE), jedoch weist es eine hohe Formschrumpfung, gute Schmelzfließfähigkeit und hervorragende Dauerfestigkeit auf. Die daraus hergestellten Produkte zeichnen sich durch gute mechanische Eigenschaften, hohe Steifigkeit und Oberflächenhärte aus und bieten insbesondere eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Biegeermüdung. Es übersteht Hunderttausende von Falt- und Biegezyklen ohne Ausfall und eignet sich daher hervorragend für Scharniere. Seine Dauereinsatztemperatur beträgt bis zu 120 °C und bis zu 150 °C, wenn keine äußere Krafteinwirkung erfolgt. Es weist eine geringe Wasseraufnahme und eine hervorragende chemische Beständigkeit auf und ist beständig gegen Säuren, Basen, Salze und viele polare organische Lösungsmittel bis 80 °C.

Polyvinylchlorid (PVC)

Durch die Zugabe verschiedener Additive zu PVC-Harz lassen sich Kunststoffprodukte mit unterschiedlichen Eigenschaften herstellen. PVC weist die Eigenschaften eines amorphen Polymers auf; seine Schmelze besitzt eine geringe thermische Stabilität, einen engen Verarbeitungsbereich und kann Formen angreifen. Bei niedrigen Temperaturen neigt PVC dazu, steif und spröde zu werden. Flexibles PVC wird häufig im Automobilbau als Dichtungs- und Dekorationsmaterial eingesetzt.
Polystyrol (PS) ist ein farbloser und transparenter Kunststoff. PS ist ein amorphes Polymer mit guter Schmelzfließfähigkeit und geringer Zersetzungsfähigkeit, was eine gute Verarbeitbarkeit im Spritzgussverfahren ermöglicht. Seine mechanischen Eigenschaften sind im Allgemeinen durchschnittlich, die Schlagfestigkeit ist jedoch gering. Es neigt bei Stürzen oder starken Stößen zum Bruch. Kunststoffteile sollten eine gleichmäßige Wandstärke und abgerundete Ecken an den Verbindungsflächen aufweisen. Die Verwendung von Einsätzen sollte vermieden werden. Übermäßige Eigenspannungen in den Kunststoffteilen können zu Spannungsaufhellung und Rissbildung führen. PS besitzt einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wechselnde Ausdehnungs- und Kontraktionskräfte können Risse an den Verbindungsstellen der Kunststoffteile verursachen.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)

ABS ist ein amorpher Kunststoff, der aus Styrol, Butadien und Acrylnitril copolymerisiert wird. Im Allgemeinen weist ABS eine höhere Zähigkeit als hochschlagfestes Polystyrol (HIPS) und gute mechanische Eigenschaften auf. Es besitzt eine moderate Schmelzfließfähigkeit und lässt sich gut spritzgießen. Dank geringer Formschrumpfung bleiben die Produktabmessungen stabil. Der Einsatztemperaturbereich liegt zwischen -40 °C und 100 °C. ABS zeichnet sich durch gute chemische Beständigkeit, ausgezeichnete Bedruckbarkeit, Färbbarkeit, Haftung und gute Galvanisierbarkeit sowie zufriedenstellende akustische Eigenschaften aus und eignet sich daher für Gehäuse von Audiogeräten. ABS wird häufig zur Herstellung verschiedener Automobilzubehörteile und Karosserieteile verwendet, wie z. B. Griffe, Lampenabdeckungen, Armaturenbretter, Kühlergrills und Zierteile, die mit Oberflächenverfahren wie der Galvanisierung veredelt werden.

Polymethylmethacrylat (PMMA)

Es handelt sich um einen hochtransparenten, amorphen Kunststoff, allgemein bekannt als Acryl. Acryl weist eine geringe Oberflächenhärte auf und ist daher leicht durch harte Gegenstände zu verkratzen. Spannungsrisskorrosion ist eine weitere Schwäche von PMMA.

Polyamid (PA)

Es handelt sich um ein mehrvariables kristallines Polymer, allgemein bekannt als Nylon. Es ist zäh, verschleißfest und ermüdungsbeständig, jedoch stark feuchtigkeitsabsorbierend. Es hat einen hohen Schmelzpunkt und einen engen Schmelztemperaturbereich. Das Material muss vor dem Einspritzen gründlich getrocknet werden. Aufgrund der niedrigen Schmelzviskosität treten beim Spritzgießen häufig Fadenbildung und Gratbildung auf. Die Werkzeugtemperatur beeinflusst die Kristallinität. Kunststoffteile weisen eine hohe und schwankende Formschrumpfung auf, und die Abmessungen der Formteile können aufgrund von Feuchtigkeitsaufnahme und anderen Faktoren instabil sein. PA6 bietet gute Elastizität und hohe Schlagfestigkeit, jedoch eine höhere Wasseraufnahme. PA66 bietet hohe Festigkeit und gute Verschleißfestigkeit.

Polycarbonat (PC)

Es handelt sich um ein amorphes Polymer mit hervorragender Schlagfestigkeit und Kriechfestigkeit sowie guter Beständigkeit gegenüber Kälte und Hitze. Polycarbonat (PC) zeichnet sich durch ausgezeichnete mechanische und elektrische Isolationseigenschaften sowie gute Transparenz aus. Formteile weisen eine relativ geringe Schrumpfung auf, was zu einer hohen Maßgenauigkeit führt. Nach Polyamid (PA) ist es der am zweithäufigsten produzierte technische Kunststoff. Die Schlagfestigkeit von PC ist 2- bis 3-mal höher als die von PMMA, und sein Kriechverhalten beträgt etwa 10 % des PMMA-Wertes. PC kann dauerhaft im Temperaturbereich von -100 °C bis 300 °C eingesetzt werden, hat eine thermische Zersetzungstemperatur von über 310 °C und ist selbstverlöschend. Bei Raumtemperatur ist es beständig gegen verdünnte Säuren und relativ stabil gegenüber Alkoholen, Ölen und Salzen, mit Ausnahme von Formaldehyd.

Polyoxymethylen (POM)

Es handelt sich um ein hochkristallines Polymer mit hervorragenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften. Es ist verschleißfest, wasserbeständig, korrosionsbeständig und weist eine gute Dimensionsstabilität auf. Es besitzt eine mäßige Schmelzfließfähigkeit, einen engen Schmelztemperaturbereich, ist sehr wärmeempfindlich und neigt zur Zersetzung. Die Verstärkung mit Glasfasern kann die Formschrumpfung reduzieren. Längere Einwirkung der Atmosphäre beschleunigt die Alterung. Der Langzeit-Einsatztemperaturbereich liegt zwischen -40 °C und 100 °C. Es zeichnet sich durch hohe Steifigkeit, hohe Härte und einen hohen Elastizitätsmodul in Kombination mit guter Schlagzähigkeit aus. Seine spezifische Festigkeit und Steifigkeit ähneln denen von Metallen, und es weist einen niedrigen Reibungskoeffizienten und ein geringes Verschleißvolumen sowie ausgezeichnete Selbstschmiereigenschaften auf.

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