Kunststoffe im Automobilbau: wie Sie den richtigen Werkstoff für Ihre Kunststoffteile auswählen

Kunststoffe im Automobilbau sind die Polymere, aus denen Fahrzeugteile bestehen, von Stoßfängern aus Polypropylen und ABS-Zierteilen bis zu glasfaserverstärktem Polyamid im Motorraum. Um den richtigen Werkstoff auszuwählen, legen Sie zuerst die Anforderungen des Bauteils an Temperatur, Belastung, Medien und Vorschriften fest. Danach vergleichen Sie Typen anhand derselben ISO- oder ASTM-Prüfungen: Schmelzfluss, Wärmeformbeständigkeit, Vicat und Schlagzähigkeit.

Automobilzulieferer sind häufig an Konstruktion und Entwicklung neuer Teile beteiligt. In dieser Phase wird der Werkstoff festgelegt, und diese Entscheidung lässt sich später nur schwer ändern. Ein falscher Typ zeigt sich in verzogenen Teilen, gebrochenen Clips, nicht bestandenen Validierungsprüfungen oder einem teuren Änderungsantrag nach dem Serienanlauf.

Dieser Leitfaden behandelt die im Auto am häufigsten verwendeten Kunststoffe, einen schrittweisen Auswahlprozess, die wichtigsten Werkstoffeigenschaften und Prüfungen sowie die Frage, wie Sie die Werkstoffqualität in der Serienfertigung unter Kontrolle halten.

Was sind Kunststoffe im Automobilbau?

Kunststoffe für den Automobilbau sind Polymere und Polymer-Compounds, die die Anforderungen an Fahrzeugteile erfüllen. Die meisten sind Thermoplaste: Sie schmelzen beim Erwärmen und lassen sich deshalb spritzgießen, extrudieren oder blasformen und grundsätzlich recyceln. Duroplaste, etwa PU-Schaum oder manche faserverstärkten Verbundwerkstoffe, härten zu einer Form aus, die nicht wieder schmilzt.

Eine zweite hilfreiche Einteilung richtet sich nach der Leistungsfähigkeit. Standardkunststoffe wie PP, PE und PVC sind günstig und werden in großen Mengen eingesetzt. Technische Kunststoffe wie PA, PC, POM und PBT halten höhere Belastungen und Temperaturen aus. Hochleistungskunststoffe wie PPS, PEEK, PEI und PPA widerstehen sehr hohen Temperaturen und aggressiven Medien, doch Werkstoff und Verarbeitung kosten deutlich mehr.

Welche Kunststoffe werden im Auto verwendet?

Kunststoffe wie PP, PA, ABS und PC stecken in vielen Fahrzeugkomponenten: in Innenraumteilen wie Instrumententafel, Türverkleidungen und Mittelkonsole, in Bauteilen im Motorraum und in Außenteilen wie Leuchten und Stoßfängern. Die Tabelle zeigt die gängigsten Werkstoffe und warum sie gewählt werden.

Polypropylen ist der im Auto am meisten verwendete Kunststoff, weil es günstig, leicht und einfach zu verarbeiten ist. Bei den Paaren, die Ingenieure oft vergleichen, entscheidet meist eine einzige Eigenschaft. PA66 behält seine Steifigkeit bis zu höheren Temperaturen als PA6. PC ist zäher als PMMA, PMMA dagegen kratz- und UV-beständiger. PBT ist günstiger als PPS, aber PPS behält seine Eigenschaften bei höheren Temperaturen.

Wie wählen Sie den richtigen Kunststoff für ein Fahrzeugteil aus?

Die Werkstoffauswahl funktioniert am besten in einer festen Reihenfolge. Der häufigste Grund, warum ein Typ später in der Validierung durchfällt: Der Schritt mit den Anforderungen wurde übersprungen.

1. Anforderungen an das Bauteil festlegen
   Halten Sie den Einsatztemperaturbereich fest, die mechanischen Belastungen, den Kontakt mit Ölen, Kraftstoffen, Kühlmitteln oder Reinigungsmitteln, die UV-Belastung, die Optik, das Brennverhalten und die Gewichtsziele.
2. Werkstoffnorm des OEM prüfen
   Die meisten Fahrzeughersteller haben eigene Werkstoffnormen, zum Beispiel VW TL, Stellantis MS, Ford WSS oder GM GMW. Oft führt die Norm bereits freigegebene Werkstoffe und Typen auf.
3. Werkstofffamilien eingrenzen
   Schließen Sie anhand der Anforderungen Familien aus. Für ein Teil in Motornähe kommen ungefülltes PP und ABS meist nicht infrage. Ein sichtbares Innenraumteil braucht eine gute Oberflächenqualität und geringe Emissionen.
4. Typen nach denselben Prüfungen vergleichen
   Vergleichen Sie Datenblätter nur, wenn die Werte nach derselben Norm und unter denselben Bedingungen ermittelt wurden. Ein nach ISO gemessener Wert lässt sich nicht direkt mit einem nach ASTM gemessenen vergleichen.
5. Spritzgegossene Teile prüfen
   Spritzen Sie Muster und prüfen Sie diese unter realen Bedingungen: Wärmealterung, Schlagzähigkeit bei Kälte, Medienbeständigkeit und Passung in der Baugruppe.
6. Verarbeitung und Werkzeug prüfen
   Schwindung, Verzug, Trocknungsbedarf, Zykluszeit und Werkzeugverschleiß unterscheiden sich von Typ zu Typ. Glasfaserverstärkte Typen schwinden längs und quer zur Fließrichtung unterschiedlich.
7. Kosten und Versorgungssicherheit prüfen
   Vergleichen Sie die Kosten pro Teil, nicht nur den Preis pro Kilogramm. Prüfen Sie, ob es eine zweite Bezugsquelle gibt und wie stabil die Versorgung ist.
8. Werkstoff validieren und einfrieren
   Schließen Sie den Validierungsplan ab, reichen Sie die Werkstoffdaten im PPAP beim Kunden ein und melden Sie die Zusammensetzung im IMDS. Ab diesem Zeitpunkt braucht jeder Wechsel von Typ oder Bezugsquelle die Freigabe des Kunden.

Welche Werkstoffeigenschaften zählen bei Kunststoffen im Auto am meisten?

Wer die Ursachen von Abbau, Schäden, Alterung, Spannungsrissen oder Prozessproblemen verstehen will, muss die Werkstoffeigenschaften kennen. Die Automobilindustrie hat strenge Sicherheitsstandards, und jedes kritische Bauteil wird nach genauen technischen Spezifikationen geprüft. Drei Eigenschaftsgruppen stehen dabei immer wieder im Mittelpunkt: Verarbeitbarkeit, Verhalten bei hohen Temperaturen und mechanische Widerstandsfähigkeit.

Schmelzflussrate und Verarbeitbarkeit

Rohstoffhersteller müssen die Qualität ihrer Polymere überwachen, damit jede Charge die Anforderungen der Anwendung erfüllt. Eine der wichtigsten Eigenschaften für die Verarbeitbarkeit ist die Schmelzflussrate, auch Schmelzindex oder MFR genannt. Sie gibt an, welche Masse an geschmolzenem Werkstoff unter definierter Last und Temperatur durch eine Normdüse fließt, angegeben in Gramm pro 10 Minuten. Vereinfacht gesagt zeigt sie, wie leicht das geschmolzene Polymer fließt.

Die Schmelzflussprüfung ist schnell und einfach. Sie hilft, den richtigen Typ zu wählen, das Verhalten des Polymers beim Spritzgießen oder Extrudieren vorherzusagen und den vom Lieferanten angelieferten Werkstoff zu prüfen. Die Prüfung erfolgt nach ISO 1133 oder ASTM D1238. Eine höhere MFR bedeutet einen leichteren Fluss und meist ein geringeres Molekulargewicht. Eine große Abweichung zwischen Granulat und Formteil kann darauf hinweisen, dass der Werkstoff geschädigt wurde, zum Beispiel durch Feuchtigkeit bei der Verarbeitung.

Wärmeformbeständigkeit und Vicat-Erweichungstemperatur

Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur, HDT, und die Vicat-Erweichungstemperatur, VST, zeigen, wie gut ein Polymer bei Erwärmung seine Form und Steifigkeit behält. HDT wird nach ISO 75 oder ASTM D648 geprüft, Vicat nach ISO 306 oder ASTM D1525. Der Prüfkörper wird unter definierter Last in einem beheizten Bad oder einer Kammer mit gleichmäßig steigender Temperatur erwärmt. HDT ist die Temperatur, bei der sich der Prüfkörper um einen festgelegten Betrag durchbiegt. Vicat ist die Temperatur, bei der eine Nadel mit flacher Spitze 1 mm tief eindringt.

Höhere HDT- und Vicat-Werte bedeuten, dass sich der Werkstoff besser für Anwendungen mit hohen Temperaturen eignet, etwa für Teile in Motornähe oder unter Sonneneinstrahlung. Oberhalb dieser Temperaturen kann sich das Teil bleibend verformen, was auch Oberflächenfehler verursacht. Betrachten Sie beide Werte als Vorauswahldaten, nicht als maximale Gebrauchstemperatur. Wie sich der Werkstoff wirklich verhält, zeigen Langzeit-Wärmealterungsprüfungen an Bauteilen.

Schlagzähigkeit: Prüfung nach Izod und Charpy

Festigkeit, Dauerhaltbarkeit und sicherheitsrelevante Eigenschaften werden am häufigsten geprüft. Die Schlagzähigkeit ist eine entscheidende Kenngröße für Lebensdauer und Sicherheit. Schlagprüfungen unterscheiden spröde von duktilen Polymeren und zeigen, wie sich ein Werkstoff bei verschiedenen Temperaturen und Schlaggeschwindigkeiten verhält. Die Schlagzähigkeit bei Kälte ist wichtig für Stoßfänger, Clips und alle Teile, die im Winter nicht brechen dürfen.

Die gängigsten Schlagprüfungen sind Izod und Charpy. Izod wird nach ISO 180 und ASTM D256 geprüft, ungekerbte Prüfkörper nach ASTM D4812. Charpy wird nach ISO 179 und ASTM D6110 geprüft. Bei Izod ist der Prüfkörper an einem Ende eingespannt wie ein Kragarm. Bei Charpy liegt er auf zwei Auflagern und wird in der Mitte getroffen. Die Ergebnisse beider Verfahren lassen sich nicht ineinander umrechnen.

Auch andere Eigenschaften entscheiden oft über die Wahl: Beständigkeit gegen Betriebsflüssigkeiten, Kriechen unter Dauerlast, Ermüdung, Feuchtigkeitsaufnahme und Maßhaltigkeit. Polyamide nehmen Wasser auf, daher unterscheiden sich Steifigkeit und Schlagzähigkeit im trockenen und im konditionierten Zustand. Prüfen Sie, auf welchen Zustand sich die Datenblattwerte beziehen.

Welche Kunststoffe eignen sich für Innenraum, Exterieur, Motorraum und Elektrofahrzeuge?

Wie sichern Sie die Werkstoffqualität von Kunststoffen in der Serienfertigung?

Die Qualität muss auf jeder Stufe gesichert werden, von der Auswahl und Bewertung der Rohstoffe bis zu den Eigenschaften des fertigen Teils. Sobald der Typ freigegeben ist, halten ihn diese Prüfungen unter Kontrolle:

• Prüfzeugnis für jede Charge, mit den vereinbarten Eigenschaften und Grenzwerten.
• Wareneingangsprüfung mit einer schnellen Schmelzflussprüfung an einer Probe jeder Charge oder in einem festgelegten Rhythmus.
• Trocknung hygroskopischer Werkstoffe wie PA, PBT und PC, mit Prüfung der Restfeuchte vor dem Spritzgießen.
• Mahlgutgrenzen: ein mit dem Kunden vereinbarter Höchstanteil an Mahlgut, der an der Maschine überwacht wird.
• Chargenrückverfolgbarkeit von der Werkstoffcharge bis zum Los der fertigen Teile.
• Änderungsmanagement: kein Wechsel von Typ, Farbe, Compoundeur oder Werk ohne Benachrichtigung des Kunden und, wo gefordert, ein neues PPAP.
• Werkstoffdaten, die im IMDS aktuell gehalten und auf Konformität mit REACH und den Vorschriften für Altfahrzeuge geprüft werden.

Was bedeuten Rezyklate und EU-Vorschriften für die Werkstoffauswahl?

Fahrzeughersteller erhöhen den Anteil an recycelten und biobasierten Kunststoffen in neuen Fahrzeugen, und viele OEM setzen ihren Zulieferern eigene Ziele. In der EU wird die Altfahrzeugrichtlinie durch eine Verordnung ersetzt, die voraussichtlich einen Mindestanteil an Rezyklat in Neuwagen vorschreiben wird. Prüfen Sie den endgültigen Text und seine Fristen, bevor Sie sich auf einen Werkstoffplan festlegen.

Für die Werkstoffauswahl bedeutet das mehr Arbeit, nicht weniger. Rezyklattypen können von Charge zu Charge stärker in Schmelzfluss, Farbe, Geruch und Schlagzähigkeit schwanken. Vereinbaren Sie strengere Wareneingangsprüfungen, prüfen Sie den Rezyklattyp an spritzgegossenen Teilen genauso wie Neuware und planen Sie eine zweite freigegebene Bezugsquelle ein.

Welche Fehler passieren bei der Auswahl von Kunststoffen am häufigsten?

• Auswahl nur nach Datenblatt. Der Typ passt auf dem Papier, versagt aber am realen Teil. Prüfen Sie früh spritzgegossene Teile.
• Werte aus verschiedenen Normen vergleichen. ISO- und ASTM-Ergebnisse oder Werte im trockenen und konditionierten Zustand sind nicht direkt vergleichbar.
• Den Prozess ignorieren. Schwindung, Verzug glasfaserverstärkter Typen und Trocknungsbedarf entscheiden darüber, ob sich das Teil stabil fertigen lässt.
• Überspezifizieren. Ein Hochleistungskunststoff, wo ein technischer Kunststoff genügen würde, verteuert jedes Teil.
• Die Umgebung vergessen. Medien, UV und Langzeitwärme verursachen mehr Ausfälle als die Kurzzeitfestigkeit.
• Werkstoff ohne Freigabe wechseln. Auch ein günstigerer gleichwertiger Typ aus einer anderen Quelle braucht die Freigabe des Kunden.
• Keine Ursachenanalyse nach einem Ausfall. Gebrochene oder verzogene Teile werden dem Werkstoff angelastet, ohne die Prozessdaten zu prüfen.

Um mehrere infrage kommende Typen anhand gewichteter Kriterien wie Kosten, Wärmeformbeständigkeit, Schlagzähigkeit und Verarbeitbarkeit zu vergleichen, eignet sich eine gewichtete Entscheidungsmatrix, die wir in unserem Artikel über Entscheidungshilfen beschreiben. Erreicht ein werkstoffbedingter Fehler den Kunden, nutzen Sie die strukturierte Problemlösung, um die Ursache zu finden, bevor Sie den Typ wechseln.

Wann hilft ein Interim-Experte bei Kunststoffen?

Kunststoffverarbeiter sowie Tier-1- und Tier-2-Zulieferer in Mittel- und Osteuropa brauchen oft für einen begrenzten Zeitraum Know-how zu Werkstoffen und Qualität. Typische Fälle sind ein Serienanlauf mit vielen neuen Typen, eine Kundenreklamation wegen gebrochener oder verzogener Teile, die Umstellung auf einen günstigeren Werkstoff oder ein Rezyklat sowie ein Granulatlieferant, der keine stabile Qualität liefert.

Ein erfahrener Interim-Qualitätsmanager, Lieferantenqualitätsingenieur oder Prozessingenieur für das Spritzgießen übernimmt die Werkstoffvalidierung, das PPAP und die Ursachenanalyse und arbeitet direkt mit den Granulatlieferanten zusammen. Lesen Sie, wie ein Interim-Qualitätsmanager arbeitet, was ein Interim Manager macht und wie Ihnen der strategische Einkauf hilft, Granulatlieferanten und zweite Bezugsquellen zu steuern.

Wie GQ Interim hilft

Seit 2011 haben wir mehr als 1.550 Projekte in Produktions- und Industrieunternehmen in Mittel- und Osteuropa abgeschlossen, für Kunden wie Stellantis, Porsche, Siemens, Valeo und Magna. Unsere Datenbank umfasst 7.500+ geprüfte Experten, darunter Spezialisten für Qualität, Lieferantenqualität, Werkstoffe und Spritzguss, die die Anforderungen der Automobilindustrie vom PPAP bis zur IATF 16949 kennen. Wir sind nach ISO 9001 und TISAX zertifiziert.

Fazit

Der richtige Kunststoff für ein Fahrzeugteil ist das Ergebnis eines klaren Prozesses. Legen Sie die Anforderungen des Bauteils fest, prüfen Sie die Werkstoffnorm des OEM, vergleichen Sie Typen nach denselben Normen und bestätigen Sie die Wahl an spritzgegossenen Teilen. Schmelzflussrate, HDT, Vicat und Schlagprüfungen sind die Grundwerkzeuge, vom ersten Typenvergleich bis zur Wareneingangsprüfung jeder Charge.

Ist der Werkstoff freigegeben, sichern Sie ihn mit Änderungsmanagement, Chargenrückverfolgbarkeit und einem Rückstellmuster ab, damit sich jedes Problem schnell zurückverfolgen lässt.

Häufig gestellte Fragen