LEICHTBAUSITZ MIT RÜCKENLEHNE AUS KUNSTSTOFFFahrzeugsitze müssen nicht nur höchste Sicherheitsanforderungen erfüllen und gleichzeitig komfortabel,

platzsparend und fl exibel sein – sie sollen dabei auch noch deutlich leichter werden. Als Alternative zu

gängigen Metallstrukturen stellt Johnson Controls eine Kunststoffl ehne für Vorder- und Rücksitze vor, die bei

gleichwertiger technischer Performance große Gewichtsvorteile bietet. Diese werden sowohl durch das Material

als auch durch die Möglichkeit zur direkten Integration von Funktionen mehrerer Komponenten in einer erzielt.

30

ENTWICKLUNG LEICHTBAU

Leichtbau

UMFELD UND MOTIVATION

Zu den größten Herausforderungen für die Automobilindustrie zählen neben der Rohstoffverknappung die Reduzierung aller weltweiten CO2-Emissionen und die Senkung des Kraftstoffverbrauchs. Dar-aus resultiert unter anderem die globale Forderung nach alternativen Antrieben. So sollen allein auf deutschen Straßen laut dem Entwicklungsplan Elektromobi-lität der Bundesregierung Deutschland bis 2020 bereits eine Million Elektrofahr-zeuge unterwegs sein.

Was bedeuten diese Megatrends für die Gestaltung von Fahrzeuginnenräu-men? Als eine der wichtigsten Konse-quenzen lässt sich festhalten, dass der Stellenwert des Leichtbaus in der Auto-mobilindustrie innerhalb der vergange-nen Jahre kontinuierlich und massiv zugenommen hat. Dies hat zum einen Auswirkungen auf die Auswahl innovati-ver, gewichtsparender Materialien und auf Fertigungsmethoden, zum anderen auf den Entwicklungsprozess selbst: Durch neue Konzepte und konstrukti-onsbedingte Veränderungen können sowohl die Anzahl von Bauteilen als auch die Masse an eingesetztem Material und darüber hinaus die Komplexität von ganzen Systemen wie Fahrzeugsitzen reduziert werden.

An Materialien für den Einsatz im Fahrzeuginnenraum werden demzufolge immer höhere Anforderungen gestellt. Werkstoffe und Werkstoffverbundsys-teme müssen auf der einen Seite kosten-günstig und global verfügbar sein, auf der anderen Seite sollen die hohen Quali-tätsanforderungen, wie hochwertig anmutende Oberflächen mit guter Haptik bei gleichzeitig herausragenden mecha-nischen Eigenschaften und geringem Gewicht, erfüllt werden.

Faserverbundkunststoffe werden die-sen Leichtbauanforderungen gerecht und sind aufgrund ihrer Leichtbaueigen-schaften für eine Vielzahl von Produkten in verschiedenen Marktsegmenten im Einsatz. Im Automobilbau bedingt die Substitution von Metallen durch Faser-verbundkunststoffe ein niedrigeres Bau-teilgewicht – und trägt damit zur Reduk-tion des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen bei. In großserientaugli-chen Verfahren wie dem automatisierten Spritzgießverfahren können Faserver-bundkunststoffe zum Endprodukt herge-stellt werden.

Durch neue Fahrzeugkonzepte, wie Automobile mit Elektroantrieb, entstehen aber auch weitere Anforderungen an Innenräume. Aufgrund der durch große Akkumulatoren veränderten Systemver-teilung in Elektrofahrzeugen muss die Innenraum-Effizienz erhöht werden. Sitze müssen nicht nur gewichts-, sondern auch platzsparend gestaltet werden. Dies gelingt beispielweise durch die Funk-tionsintegration mehrerer Komponenten in ein Bauteil. Und auch in diesem Fall bieten Faserverbundkunststoffe in mehr-facher Hinsicht Vorteile: Neben der reinen Gewichtsersparnis ermöglichen sie die Reduzierung von Prozessschritten und die Einsparung kompletter Montage-schritte. Dies führt letztlich zu einer Reduzierung der gesamten Systemkosten.

Aus den beschriebenen Ansätzen ent-stand bei Johnson Controls die Idee zur Entwicklung des Synergy Seat Gen 3. Am Konzept dieses Sitzes sollen sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch seine erheblichen Leichtbaupotenziale aufge-zeigt werden. Ein Autositzbauteil, wel-ches bisher für Serienautomobile aus Metallwerkstoffen besteht, ist die Rückenlehnenstruktur. Der Synergy Seat Gen 3 enthält eine Kunststoffrückenleh-nenstruktur, die bei gleichwertiger tech-nischer Performance gegenüber einer Metalllehne große Gewichtsvorteile bietet.

In den vergangenen Jahren hat John-son Controls intensives Know-how im Bereich der Faserverbundkunststoffe auf-gebaut. Hierzu gehören unter anderem sowohl umfassende Materialdatenban-ken und Simulationsmethoden als auch die Möglichkeit, Prototypen herzustellen. Zudem wurden Kontakte mit Herstellern von faserverstärkten Kunststoffen aufge-baut und verschiedenste Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit ihnen als Partner durchgeführt. Die globale Mate-rialverfügbarkeit von faserverstärkten Kunststoffen wird seitens großer Kunst-stoffhersteller vorangetrieben.

MATERIALWAHL FÜR DAS ORGANOBLECH

Die Kunststoffrückenlehnenstruktur des Synergy Seat Gen 3 basiert auf einem Organoblech, einem Faser-Matrix-Halb-zeug. Organobleche bestehen aus End-losfasergeweben oder -gelegen, zum Beispiel Glas- oder Kohlenstofffasern, die in eine thermoplastische Kunststoff-

AUTOREN

VEDAT NUYAN leitet als Director Engineering das

Kompetenzzentrum Plastics Europe von Johnson Controls Automotive

Seating in Burscheid.

MARIOS CONSTANTINOU ist Product Engineer Materials im

Kompetenzzentrum Plastics Europe von Johnson Controls Automotive

Seating in Burscheid.

04I2014 116. Jahrgang 31

Leichtbau

matrix eingebettet sind. Organobleche werden zum Beispiel in Form von Platten geliefert. Übliche Plattendicken betragen 1 bis 2,5 mm. Der Aufbau von Organo blechen ist in ➊ schematisch dargestellt. Die enthaltenen Faserge-webe oder -gelege können auf verschie-dene Arten gewebt sein. Die üblichsten Gewebetypen zeigt ➋.

In ➌ werden die typischen Eigen-schaften eines im Synergy Seat Gen 3 einsetzbaren Organoblechs mit Stan-dardstählen verglichen. Daraus wird ersichtlich, dass die Dichte des Organo-blechs um mehr als den Faktor 4 gerin-ger ist als die Dichte eines Standard-stahls. Des Weiteren fällt die hohe Zugfestigkeit des Organoblechs trotz seiner niedrigeren Dichte auf. Der deutlich niedrigere E-Modul des Organoblechs liegt in dem deutlich

kleineren Hookeschen Bereich des Stahls begründet, in dem der E-Modul ermittelt wird.

Für die Kunststoffrückenlehne wurde ein Polyamid-6(PA 6)-/Nylon-basiertes Organo blech als Trägermaterial bestimmt, das mit Glasfasern verstärkt ist. Diese Kombination wurde aufgrund der hohen Schlagzähigkeit des PA 6 im Vergleich zu anderen Thermoplasten sowie der ausreichenden Festigkeit der Glasfasern, bei gleichzeitigem Kostenvorteil gegen-über Kohlenstofffasern, gewählt.

VORTEILE DES ORGANOBLECHS

Einer der großen Vorteile von Organo-blechen sind mögliche kurze Zyklus-zeiten aufgrund der thermoplastischen Matrix. Im Gegensatz zu Duroplasten können Thermoplaste unter Hitzeein-

bringung in recht kurzer Zeit umge-formt werden. So sind Zykluszeiten von circa 60 s möglich. Des Weiteren bieten Organobleche sehr positive mechani-sche Eigenschaften, sie sind schlag-zäher als vergleichbare Duroplaste und können somit zur adäquaten Metall-substitution in Strukturbauteilen ver-wendet werden. Ein weiterer Vorteil gegenüber duroplastischen Faserver-bundwerkstoffen ist die Möglichkeit der Umspritzung und somit weiteren Verstärkung, zum Beispiel durch Rippen einbringung. Im Vergleich zu einem Metallbauteil sinken zudem die Verar beitungskosten aufgrund der niedrigeren Energiezufuhr. Zudem entstehen durch die Funktionsinte-gration weitere Kosteneinsparungs-potenziale.

Ein Nachteil von Organoblechen ist die begrenzte Drapierbarkeit, was die Design freiheit im Vergleich zum Stan-dardspritzguss einschränkt. Zudem erhöhen sich die Zykluszeiten im Umspritzprozess durch das benötigte Aufheizen der Organobleche im Ver-gleich zum Spritzguss, der ausschließ-lich mit Thermoplast granulaten erfolgt.

FERTIGUNG DER KUNSTSTOFFRÜCKENLEHNE

Als Herstellungsprozess der Rücken-lehne des Synergy Seat Gen 3 wurde das Spritzgussverfahren gewählt. Die Prozessschritte sind im Folgenden genannt:

➋ Übliche Gewebetypen für Organobleche

➊ Schematischer Aufbau von g lasfaserverstärkten Organoblechen

ENTWICKLUNG LEICHTBAU

32

: Aufheizung des Organoblechs mittels Infrarotstrah-lern oder konvektiver Wärmeübertragung

: Umformung des erhitzten Organoblechs durch das Schließen des Spritzgusswerkzeugs

: Umspritzung des umgeformten Organoblechs mit glasfaserverstärktem PA 6, zum Beispiel um verstei-fende Rippen einzufügen

: Entnahme der Rückenlehne.In ➍ sind Ausschnitte des umspritzten Organoblechs der Synergy-Seat-Gen-3-Rückenlehne dargestellt.

AUSLEGUNG DER FRONTSITZLEHNE

Die Kunststoffrückenlehne des Synergy Seat Gen 3 bietet im Vergleich zu einer Metallrückenlehne sowohl Gewichts vorteile als auch Vorteile hinsichtlich der Funktionsintegration. So konnte beispielsweise der Kopfstützenträger in die Synergy-Seat-Gen-3-Rücken-lehne integriert werden, indem er um das Organo blech gespritzt wird. Dies ist ein Kosten einsparungs potenzial,

TYPISCHE KENNWERTE BEI 23 ˚C

EINHEIT ORGANOBLECH STAHL

Kommentar – Polyamid-6-Matrix mit47 % Glasfasergehalt,

Köpergewebe

S235JR+AR, S355J2+N

Dichte g/cm³ 1,8 7,85

Zugmodul GPaLängs: 22,4

210Quer: 21,5

Zugfestigkeit MPaLängs: 404

310–630Quer: 390

➌ Vergleich der typischen mechanischen Eigenschaften von Organoblech und Stahl

➍ Ausschnitte der Kunststoffrückenlehne im Synergy Seat Gen 3

04I2014 116. Jahrgang 33

Mit Leichtigkeitum die Welt ...

... für 0,11€*

Kostenlose Muster:Tel. 02203 9649-145

plastics for longer life®... ab 24h!

* GSM-10-12-10 bei Abnahme von 2.500 Stück

Web:ShopFinder3D-CADLebensdauer

iglidur® ontour ...einmal umdie Welt.

Aus dem größten Kunststofflager-Programm:56 iglidur® Polymer-Gleitlager auf Reise durch über20 Länder. Mit dabei: iglidur® G, der Allrounder fürwartungsfreien Trockenlauf. Vielfältig im Automo-bil einsetzbar vom Bremspedal bis zum Fenster-heber. Wie alle iglidur®-Gleitlager schmiermittelfrei,online konfigurier- und bestellbar.dry-tech® − nicht schmieren: igus.de/iglidurG

Besuchen Sie uns: Hannover Messe – Halle 17 Stand H04

igus.de/iglidur_on_tour

da die nachträgliche Montage dieser Kom-ponente somit entfällt.

Ein Gewichtsvergleich der Struktur der Kunststoffrückenlehne mit einer Standardrückenlehnenstruktur eines C-Segment-Fahrzeugs zeigt, dass eine Gewichtsreduzierung um bis zu 30 % möglich ist.

Ziel der Entwicklung der Synergy- Seat-Gen-3-Rückenlehne war eine Kosten-neutralität im Vergleich zu klas sischen Systemen. Die Herausforderung bei der Herstellung einer kosten neutra len und serienreifen organoblechbasierten Lehne besteht darin, eine Class-A-Oberfläche in einem Prozessschritt zu erreichen. Mög-liche Ansätze im Hinblick auf die Erfül-lung von OEM-Spezifikationen bezüglich der Sichtoberflächen von Organoblech-bauteilen werden mit Nachdruck voran-getrieben.

Das Crashverhalten der Lehne und andere sicherheitsrelevante Tests konn-ten bereits an vergleichbaren organo-blechbasierten Produkten validiert wer-

den. Die Eignung der ausgewählten Materialien für den Sitzbereich als Kon-struktionswerkstoff ist beschrieben. Zudem ist die Strukturmechanik-Abtei-lung von Johnson Controls in der Lage, sowohl verschiedene Organoblechauf-bauten und Umspritzungsgeometrien als auch Temperaturen und wirkende Kräfte zu simulieren. So lässt sich das Verhalten des Kunststoffbauteils mit einer ausreichenden Sicherheit vorher-sagen.

LEHNE FÜR RÜCKSITZE

Bereits 2010 begann die Entwicklung einer Kunststoffrückenlehne für die zweite Reihe eines C-Segment-Fahrzeugs. Hier wurden die Weichen für die Ent-wicklung der Rückenlehne des Synergy Seat Gen 3 gestellt.

Sowohl verschiedenste Prozesse als auch Materialien wurden praktisch und mithilfe der FEA erprobt. Als Material stellte sich im Laufe der Entwicklung das Organoblech mit PA-6-Matrix und einem Glasfasergehalt von 47 % als bester Kompromiss zwischen guter technischer Performance und Kosten heraus. Als Prozess wurde der Spritzgussprozess gewählt und für die Anwendung opti-miert. An Musterteilen wurden alle für die Rückenlehne erforderlichen Prüfun-gen durchgeführt und bestanden. Zudem erfolgte anhand von materialspezifi-schen Prüfungen und Gesamtbauteil-prüfungen eine Materialkartenerstellung in der FEA-Abteilung.

Mithilfe dieser Materialkarte ist es möglich, das Materialverhalten unter verschiedenen Temperaturen und Lasten vorherzusagen. Auch die Einflüsse von geometrischen Änderungen, wie bei-spielsweise Anpassungen der Rippen oder Organoblechlagenaufbauten, kön-nen vorhergesagt werden. In ➎ sind eine mit Vlies kaschierte (oben) und eine unkaschierte Variante (unten) der Lehne dargestellt.

FAZIT

Organobleche haben sich als gleichwer-tiger Metallersatz mit großem Gewichts-einsparungspotenzial bewährt. Das Erreichen einer Class-A-Oberfläche im einstufigen Spritzgussprozess ohne nachträgliches Aufbringen einer Ober-fläche, beispielsweise durch Kaschieren oder Lackieren, ist für den Einsatz im

Sichtbereich erforderlich und bleibt nach wie vor eine Herausforderung. Hier sind weitere Forschungs- und Ent-wicklungsaktivitäten nötig, die aktuell von Johnson Controls und dessen Ent-wicklungspartnern vorangetrieben wer-den. Durch die Herstellung einer Class-A-Oberfläche in nur einem Prozess-schritt kann die Kostenneutralität des Systems im Vergleich zur Metalllehne erreicht werden.

LITERATURHINWEISE[1] Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität der Bundesregierung Deutschland 2009[2] Nuyan, V.; Juerss, D.: Großeinsatz von Faser-verbundkunststoffen bei Sitzstrukturen im Pkw. 17. Nationales Symposium der Society for the Advancement of Material and Process Engineering (SAMPE), Aachen, 2011[3] URL: http://www.bond-laminates.com/en/tepexr-materials.html vom 8. November 2013

➎ Mit Vlies kaschierte (oben) und unkaschierte (unten) Kunststoffrückenlehne für die Rücksitzbank eines C-Segment-Fahrzeugs

DOWNLOAD DES BEITRAGSwww.springerprofessional.de/ATZ

READ THE ENGLISH E-MAGAZINEorder your test issue now: springervieweg-service@springer.com

ENTWICKLUNG LEICHTBAU

34

04I2014 116. Jahrgang 35

ELEKTROMOBILITÄTmit neuen Fahrzeugkonzepten

LEICHTBAUzur CO2-Reduzierung

SYSTEMS ENGINEERINGfür die Prozessoptimierung

Karosseriebautage Hamburg 13. ATZ-Fachtagung

14. und 15. Mai 2014 | Hamburg

PROGRAMM UND ANMELDUNG

www.ATZlive.deAbraham-Lincoln-Straße 4665189 Wiesbaden | Deutschland

Telefon +49 611 7878-131Telefax +49 611 7878-452ATZlive@springer.com

/// MIT FREUNDLICHER UNTERSTÜTZUNG VON

/// KEYNOTE-VORTRÄGE

Alexander MankowskyDaimler AG

Prof. Dr. Klaus BenglerTU München

© BMW