Verbindungstechnik: Klebstoffe im automobilen Leichtbau

Automobilhersteller sehen sich neuerdings mit dem ehrgeizigen Ziel konfrontiert, die Kohlenstoffemissionen bei allen Neufahrzeugen bis 2020 auf 95 g CO2/km zu reduzieren. Hier erklärt Laurent Pourcheron, Marketing Manager für Klebstoffe bei Huntsman Advanced Materials, wie Strukturklebstoffe in der Automobilindustrie dabei helfen können, die neuesten Leichtbauwerkstoffe einzusetzen und künftige Umweltgesetze zu erfüllen. Die Begrenzung von Kohlenstoffemissionen ist Teil der Bemühungen der EU, Europa zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft zu verhelfen und die Auswirkungen des Klimawandels zu verlangsamen. Die Gesetzgebung des Europäischen Parlaments gibt vor, dass Fahrzeuge in Europa bis zum nächsten Jahr ein Emissionslimit von 130 g/km und alle verkauften Neufahrzeuge bis 2020 eine Obergrenze von 95 g/km einhalten müssen.

Die Verbesserung der Energieerzeugungskomponenten und eine Reduzierung des Rollwiderstands der Reifen bieten dabei das Potenzial, die Energieeffizienz zu steigern und Fortschritte bei der Senkung von Kohlenstoffemissionen zu erzielen. Das bei Weitem wichtigste Ziel ist jedoch die Gewichtsreduzierung. Gemäß einer anerkannten Faustregel reduziert sich der Kraftstoffverbrauch je 100 kg eingesparten Fahrzeuggewichts um 0,251 l/km. Dies entspricht einer Senkung des Kohlenstoffausstoßes um etwa 7 g CO2/km.

Welchen Beitrag können Klebstoffe leisten?

Hersteller und Lieferanten haben nun erkannt, dass sich mit Strukturklebstoffen im gesamten Einsatzbereich Vorteile erzielen lassen. Bei der Montage von Teilen beispielsweise können sie in vielen Bereichen als Ersatz für Niete oder andere Verbindungselemente verwendet werden und ermöglichen hier eine kumulative Wirkung auf die Gewichtsreduzierung. Klebstoffe können als potenziell bahnbrechende Technologie betrachtet werden, mit der der Sektor die Gewichtsreduzierung im Automobilbau durch den Einsatz verschiedenster Materialien wie Aluminium, Magnesium, Verbundwerkstoffe und Kohlefaser erfolgreich ausgestalten kann.

Leichtgewichte mit großer Wirkung

Da für Klebstoffe keine Bohrungen, Nieten oder Verbindungselemente notwendig sind, die das Bauteil schwächen können, verbessern sie die Stärke des Werkstoffs und erzielen ästhetisch ansprechendere Ergebnisse bei den fertigen Teilen. Klebverbindungen mit glatten Verbindungsstellen bieten Autobauern außerdem den Vorteil größerer Gestaltungsflexibilität. Verklebte Bauteile sind dank ihrer gleichmäßigen Verbindung weniger anfällig für Ermüdungsrisse und werden daher oftmals als sicherere Konstruktion beschrieben. Diese Art der Verbindung ermöglicht eine gleichmäßigere Spannungsverteilung an einer lecksicheren Lösung, die weniger korrosionsanfällig ist und eine längere Nutzungsdauer bei Belastung bietet.

Mit Klebstoffen können sogar artfremde Werkstoffe miteinander verklebt und Abweichungen zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlicher Materialien, die sich bei verschiedenen Werten zusammenziehen und ausdehnen, ausgeglichen werden. Diese wichtige Eigenschaft sorgt nicht nur für eine gleichermaßen feste wie flexible Verbindung, sondern hilft auch bei der Reduzierung der laufenden Wartungskosten. Zudem können Hersteller mithilfe von Klebstoffen traditionelle Herausforderungen in der Produktion überwinden, indem sie schnellere, kostengünstigere Prozesse und vereinfachte Montageverfahren einführen. 

Die Rolle von Huntsman

Als strategischer Partner passt Huntsman seine Produkte und Dienstleistungen bereits seit vielen Jahren an die sich entwickelnden Bedürfnisse des globalen Fahrzeugmarktes an. Mit den Produkten des Unternehmens lassen sich eine Reihe von Herausforderungen meistern, so zum Beispiel niedrige Emissionen, schnelle Aushärtungszyklen mit hoher Anfangsfestigkeit, Haltbarkeit bei Belastung, Stoßfestigkeit und die Verklebung unterschiedlicher Substrate. Klebstoffe von Huntsman basieren auf den neuesten Epoxid-, Polyurethan-, Methacrylat- und Phenolharz-Technologien und bieten spezifische Eigenschaften, mit denen Herstellungsprozesse verbessert, die langfristige Leistung und Sicherheit von Baugruppen gewährleistet und – was am wichtigsten ist – der Einsatz von Werkstoffen zur Gewichtsreduzierung im Fahrzeugbau erleichtert werden kann.

Hochleistungsepoxide

Bei Strukturbauteilen und teilweise strukturierten Bauteilen wie beispielsweise Antriebswellen oder Türmodulen bieten Epoxidklebstoffe eine hohe Festigkeit, Steifigkeit, Temperaturbeständigkeit und eine sehr hohe Ermüdungs- und Temperaturwechselbeständigkeit bei metallischen und duroplastischen Verbundwerkstoffen.

Araldite 2015, das von einem italienischen Autobauer beim Zusammenkleben von zwei Teilen eines Spoilers aus Kohlefaser eingesetzt wird, ist ein Beispiel für ein Epoxidsystem, das wegen seiner starken und dennoch flexiblen Eigenschaften verwendet wird. Diese Eigenschaften stellten sich als maßgeblich für die Beständigkeit des Spoilers gegenüber mechanischen Belastungen und Vibrationen heraus, als das Fahrzeug Geschwindigkeiten von bis zu 320 km/h erreichte. Die hohe Temperaturbeständigkeit von Araldite® 2015 war zudem der Schlüssel zu der Möglichkeit, das Fertigteil eine Stunde lang bei einer Temperatur von 90 °C im Autoklaven auszuhärten. Das gleiche System hat sich beim Verkleben von Kupplungen mit einer GRE-Antriebswelle eines französischen Fahrzeugs mit Allradantrieb bewährt, wo es mit seiner extremen Festigkeit die Voraussetzung dafür schafft, Torsionskräfte erfolgreich abzufedern.

Ein weiteres gutes Beispiel für den Mehrwert, den Epoxidklebstoffe durch die Kombination von guten Festigkeitseigenschaften und einfacher Verarbeitung bieten, ist Araldite 2022. Dieses Epoxid wurde von einem deutschen Hersteller verwendet, wo es an den Stahl- und ABS-Teilen, die die inneren Bauteile der Heckklappe eines Minivans bilden, für exzellente Haftkraft sorgt. Hier senkte das Epoxid das Gesamtgewicht dieser Baugruppe und ermöglichte dank seiner kurzen Aushärtungszeit bei Raumtemperatur, dass die Teile schon nach einer Stunde wieder gehandhabt werden konnten. Dies führte zu einer erheblichen Verbesserung und Vereinfachung des Montageprozesses.

Vielseitige Methacrylate

Methacrylat-Klebstoffe eignen sich für ähnliche und artfremde Werkstoffe und werden in den meisten Fällen aufgrund ihrer schnellen Aushärtung gewählt, die zu Vorteilen in Form von Zeiteinsparung führt. Bei einem polnischen Fahrzeughersteller stellten sich diese guten Aushärtungseigenschaften als besonders vorteilhaft heraus, denn hierdurch konnten die PA6- und Stahlteile eines Abdeckstopfens an der Heckklappe sicher verklebt und schnell gehärtet werden. Diese Vorteile machten das Produkt zum Klebstoff der Wahl für die schnellstmögliche Wiederholbarkeit des Herstellungsprozesses.

Methacrylate bieten nicht nur ein besonderes Gleichgewicht zwischen hoher Zug-, Scher- und Haftfestigkeit und dem bestmöglichen Widerstand gegenüber Stößen, Belastungen und Aufschlägen innerhalb einer breiten Temperaturspanne, sie sind zudem besonders vielseitig, indem sie Verhältnisabweichungen tolerieren und selbst unter den anspruchsvollsten Umweltbedingungen stark und haltbar sind.

Flexible Polyurethane

Ähnlich wie Epoxid- und Methacrylatklebstoffe eignen sich auch Klebstoffe auf Polyurethanbasis für Baugruppen aus verschiedenen Werkstoffen. Aufgrund ihrer hohen Flexibilität können Polyurethane jedoch auch bestens an schwierig zu klebenden Thermoplasten, gerändelten Kunststoffen und Verbundstoffen eingesetzt werden. Typische Anwendungsgebiete sind die Herstellung von Autoscheinwerfern, Bremslichtern und Reflektorengehäusen und die Anbringung der Stoßstange am Fahrzeug. Araldite 2029-1 beispielsweise, ein kaltaushärtender Klebstoff auf Polyurethanbasis, wurde erfolgreich an Armaturenbrettern von erstklassigen Sportfahrzeugen eingesetzt und hat sein primäres Anwendungsgebiet überall dort, wo kohlefaserverstärkte Polymere mit ABS verklebt werden müssen.

Abriebbeständige Phenolharze

Phenolharz-Klebstoffe eignen sich am besten für Metalle und Reibwerkstoffe und finden am häufigsten Verwendung an Bremsbacken, Bremsbelägen, Reibbelagmaterialien für Schaltkupplungen und Tauchbeschichtungsanwendungen. Araldite 64-1 ist ein Phenolharz-Klebstoff, der von einem bulgarischen Automobilhersteller beim Verkleben einer Reibungsschutzverkleidung mit der Edelstahlplatte eines Bremsbelags genutzt wurde. Hier erfüllte dieser Klebstoff nicht nur den Wunsch des Herstellers nach einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber der Bremsflüssigkeit. Durch die Verwendung des Klebstoffes konnten zudem leichtere Materialien erfolgreich eingesetzt und Kosten eingespart werden.

Zusammenfassung

Strukturklebstoffe können zum Verkleben von einer Vielzahl von ähnlichen und artfremden Substraten genutzt werden und helfen so bei der Verbesserung der Fahrzeughaltbarkeit, der Gewichtsreduzierung und Kostensenkung. Im Gegensatz zu mechanischen Verbindungen können durch ihren Einsatz Müdigkeitserscheinungen und Ausfälle reduziert werden, die häufig um Schweißpunkte und Befestigungsmittel herum anzutreffen sind. In einer Zeit, in der ein Wandel bei den Substraten einsetzt und Hersteller um den Einsatz anderer Materialien bemüht sind, mit denen sich das Gewicht signifikant reduzieren lässt, spielen Klebstoffe zweifellos eine wichtige Rolle. In absehbarer Zukunft werden sie mit großer Wahrscheinlichkeit in Kombination mit mechanischen Befestigungstechniken verwendet. Man kann jedoch davon ausgehen, dass der Einsatz von Schrauben und Bolzen im Laufe der Zeit und mit der Ausweitung der Ziele in Verbindung mit einer kohlenstoffarmen Wirtschaft zurückgehen wird.

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