5 wichtige Überlegungen zur Herstellung von Stoßfängern im Spritzgussverfahren

Das erste Fahrzeug, das 1885 von Carl Benz patentiert wurde, hatte keine Stoßstangen. ^[1]. Es war im Grunde ein Dreirad mit Verbrennungsmotor und großen Rädern. Eine Stoßstange aus Metall wurde 1897 von George Albert Lyon für Automobile eingeführt. Der Schwerpunkt der Stoßstangenherstellung lag damals vor allem auf der Dekoration.

1905 patentierte Frederick Richard Simms den ersten Stoßfänger, der mit dem Ziel der Stoßdämpfung hergestellt wurde. Diesmal wurden die Stoßstangen aus stoßabsorbierendem Gummi hergestellt. Gusseisen ersetzte schließlich den Gummi. Um 1920 wurde Stahl wegen seiner geringeren Kosten und besseren Festigkeit zum Standardmaterial für die Herstellung von Stoßfängern.

Zwischen 1930 und 1960 begannen die Automobilhersteller mit Innovationen bei der Herstellung von Stoßfängern. Dazu gehört die Verchromung des für die Stoßfängerherstellung verwendeten Stahls. Die Automobilhersteller begannen auch, Stoßfänger mit komplexen Formen und Lichtern zu versehen.

Der Aufstieg des Stoßfängerspritzgießens

Ab den 1970er Jahren wuchsen die Sicherheitsbedenken in Bezug auf Automobile. Die Nationale Straßenverkehrssicherheitsbehörde der Vereinigten Staaten (NHTSA) kündigte 1971 neue Sicherheitsnormen (Federal Motor Vehicle Safety Standard 215) an, die vorschreiben, dass Stoßfänger Stößen mit geringer Geschwindigkeit (2,5 mph) standhalten müssen.

Die NHTSA-Richtlinie läutete eine neue Ära von Gummistoßfängern mit stoßdämpfenden Eigenschaften ein. Einer der ersten Automobilhersteller, der diese neue Stoßfängerrichtlinie einhielt, war General Motors, und zwar mit seinem Endura-Stoßfänger für den Pontiac GTO von 1968. Die moderne Produktion von Stoßfängern erfolgt hauptsächlich aus Spritzgießen wie folgt:

1. Auswahl und Vorbereitung des Materials

Die häufigste Form von Kunststoffpaletten, die für die Herstellung von Stoßfängerformen verwendet wird, ist Polypropylen. Allerdings, Polycarbonat, Polyurethan und Butadienstyrol werden häufig verwendet, weil sie flexibel sind und ein perfektes Gleichgewicht zwischen hoher Schlagfestigkeit und geringem Gewicht bieten. Das Granulat wird in einen Trichter gefüllt.

2. Schmelzen und Einspritzen von Pellets

Über den Trichter wird das Granulat in den Zylinder befördert, wo es geschmolzen und (falls andere Materialien hinzugefügt wurden) zu einer geschmolzenen Form gemischt wird. Der geschmolzene Kunststoff wird in eine Stahlstoßfängerform gespritzt. Beim Einspritzen wird der richtige Druck ausgeübt, damit der geschmolzene Kunststoff den Formhohlraum richtig ausfüllen kann.

3. Abkühlung des Formteils

Der geschmolzene Kunststoff kühlt ab und erstarrt in der Form. Dabei nimmt er die präzisionsgefertigte Form der Gussform an. Die kritische Steuerung der Abkühlzeit gewährleistet, dass das Material die gewünschten mechanischen Eigenschaften und die Maßgenauigkeit erreicht. Einfallstellen, Schären, und andere häufige Defekte können durch einen geeigneten Kühlmechanismus verhindert werden.

4. Ausbau des geformten Stoßfängers

Nachdem das Teil abgekühlt und ausreichend verfestigt ist, wird das Formteil ausgeworfen. Das erfolgreiche Auswerfen erfolgt über ein System von Platten und Stiften.

5. Fertigstellung des Rumpfes

Das Formteil durchläuft in der Regel mehrere weitere Schritte, bevor es in ein Fahrzeug eingebaut wird. Die Endbearbeitung kann Beschneiden und Lackieren umfassen, um das gewünschte Aussehen zu erreichen.

Fünf Überlegungen zum Stoßfänger-Spritzgießen

Die Automobilhersteller haben im Laufe der Jahre immer wieder neue Formen für Stoßstangen entwickelt. Einige Automarken bieten zum Beispiel Stoßfänger aus Aluminium oder Stahl mit einer Kunststoffabdeckung an. Andere haben spezielle Designs, die Sensoren für Kollisionswarnungen, Einparken und andere fortschrittliche Sicherheitsfunktionen enthalten.

Moderne Stoßstangen werden aus anderen Gründen als der Sicherheit aus Kunststoff hergestellt. Dies umfasst Leichtbau, Sicherheit, Haltbarkeit und Designflexibilität. Die Designabsicht ist in der Regel ausschlaggebend für die Überlegungen bei der Herstellung von Stoßfängern. Im Folgenden sind wichtige Überlegungen aufgeführt.

1. Sicherheit bei der Gestaltung von Stoßfängern

Obwohl bei der Herstellung von Stoßfängern viele Überlegungen angestellt werden, hat die Sicherheit nach wie vor oberste Priorität. Jeder Stoßfänger muss den nationalen Vorschriften entsprechen, und den internationalen Vorschriften, wenn der Hersteller plant, seine Fahrzeuge ins Ausland zu liefern.

Die meisten internationalen Automobilsicherheitsbehörden, einschließlich der NHTSA und der meisten europäischen Vorschriften, erwarten, dass Stoßfänger einen Aufprall von bis zu 2,5 mph von vorne oder hinten mit minimalen Schäden überstehen. Das bedeutet, dass das für die Stoßfängerherstellung verwendete Material eine bestimmte Festigkeit und Zähigkeit aufweisen muss.

Das Insurance Institute for Highway Safety hat oft strengere Anforderungen. Die unabhängige Organisation führt in der Regel Tests bei 5 mph durch, um die Reparaturkosten zu ermitteln.

2. Materialauswahl für Lightweighting

Die Verwendung von Metallstangen für Stoßstangen war zwar funktionell, erhöhte aber das Gewicht des Fahrzeugs, was den Kraftstoffverbrauch erhöhte. Die Umstellung auf Kunststoff-Stoßstangen trug dazu bei, das Gewicht der Fahrzeuge zu verringern, was sich direkt in einem geringeren Kraftstoffverbrauch niederschlägt.

Automobile entwickeln sich in Richtung der Nutzung nachhaltiger Energiequellen, wie batteriebetriebene Elektrofahrzeuge und Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb ^[2]. Infolgedessen wächst der Druck auf die Hersteller, nachhaltigere und leichtere Materialien für ihre Produktion zu verwenden, um die Reichweite zu erhöhen. Darüber hinaus fordern Umweltschützer eine Verringerung der Kunststoffverschmutzung, was die Hersteller zwingt, die Verwendung von Recyclingmaterial zu prüfen.

Dies hat zu einer zunehmenden Verwendung von spritzgegossenen Verbundwerkstoffen und recycelten Harzen (PCR) für das Spritzgießen von Stoßfängern geführt. ^[3]. Diese Materialien werden wegen ihres guten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht bevorzugt.

Herausforderungen bei der Verarbeitung von Verbundwerkstoffen und PCR-Harzen

Wenn eines dieser Materialien verwendet wird, muss das Formsystem für den Stoßfänger angepasst werden. Beispielsweise schmelzen Verbundwerkstoffe bei einer höheren Temperatur und benötigen einen höheren Einspritzdruck als Neuware, um ein gleichmäßiges Fließen ohne Beschädigung des Materials zu gewährleisten. Auch die Verarbeitungsparameter von recycelten Post-Consumer-Harzen werden streng kontrolliert, um eine Zersetzung des Materials zu vermeiden.

Wenn Sie mit Verbundwerkstoffen oder recycelten Harzen arbeiten, sollten Sie daher sicherstellen, dass Sie mit einem Hersteller von Stoßfängerformen zusammenarbeiten, der mit den Besonderheiten dieser Materialien vertraut ist. Einige der Änderungen, die Hersteller an einem Stoßfänger-Spritzgusssystem vornehmen können, wenn sie PCR verwenden, sind:

• Die Maschine profitiert vom Einsatz fortschrittlicher Filtrations- und Sortiersysteme zur Entfernung von Verunreinigungen.
• Der Feuchtigkeitsgehalt von PCR kann höher sein als der von neuem Kunststoff und würde ein optimiertes Trocknungssystem erfordern, um Defekte zu vermeiden.
• Modifizierung des Schneckendesigns zur Verarbeitung von Materialien mit unterschiedlichem Schmelzfluss.
• Eventuell müssen Entlüftungsextruder in den Zylinder eingeführt werden, um Feuchtigkeit und Restflüchtlinge während des Schmelzens aus dem Material zu entfernen.
• Möglicherweise müssen Temperatur, Druck und Geschwindigkeit angepasst werden.
• Das Kühlsystem muss angepasst werden, um die unterschiedlichen Schrumpfungsraten zu kompensieren.

3. Stoßfängerdesign zur Gewichtsreduzierung

Es besteht der Irrglaube, dass sich Leichtbau bei Stoßfängerleisten einfach durch den Austausch von Materialien erreichen lässt. Das ist nicht wahr! Designoptimierung ist das A und O bei Leichtbau. Obwohl die Umstellung von Stahl- auf Kunststoffstoßstangen dazu beigetragen hat, das Gesamtgewicht von Autos zu senken, gibt es im Folgenden Techniken zur Optimierung des Designs, die den Herstellern helfen, leichte Stoßstangen herzustellen.

• Dünnwandige Strukturen: Die Herstellung von Stoßfängern mit dünnen Wänden hilft den Herstellern, den Materialeinsatz weiter zu reduzieren, was das Gewicht des Teils und damit die Kosten weiter senken kann. Dünnwandige Teile herstellen, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen, Rippen werden häufig zu dünnwandigen Stoßfängern hinzugefügt, um die Stabilität zu erhöhen und die Aufprallkraft umzuverteilen.
• Generatives Design und Topologieoptimierung: Die fortgeschrittene Computermodellierung wird häufig eingesetzt, um Materialien aus unkritischen Bereichen zu entfernen oder um die Strukturform zu optimieren, z. B. durch Gitter- oder Wabenstrukturen. ^[4]. Diese Strukturen sind effizienter bei der Aufnahme von Lasten und Stößen. Mit Hilfe der Computermodellierung kann auch die beste Rippenkonfiguration und -dichte ermittelt werden, um die besten Ergebnisse zu erzielen.
• Hybride Fertigungstechnik: Im Gegensatz zur traditionellen Stoßfängerherstellung, bei der eine einzige Produktionstechnik zum Einsatz kommt, können bei modernen Stoßfängern verschiedene Techniken kombiniert werden. Zum Beispiel, 3D-Druck wird verwendet, um die äußere Schicht mit den Voxelkammern zu erzeugen. Die Hohlräume werden dann mit einer spritzgussähnlichen Technik gefüllt.
• Teilintegration: Durch die Kombination mehrerer Teile in einer einzigen Stoßfängerform entfällt die Notwendigkeit von Befestigungselementen und anderen Verbindungstechniken, die das Gewicht des Fahrzeugs erhöhen würden.

4. Stoßfängerformdesign für Funktionalität

Moderne Stoßfänger sind bei den meisten Fahrzeugtypen (insbesondere bei Sportwagen) so konzipiert, dass sie die aerodynamischen Eigenschaften und die Kraftstoffeffizienz verbessern. Sie sind so konzipiert, dass sie den Luftstrom steuern, insbesondere bei Elektrofahrzeugen, die zur Kühlung der Batterien Lüfter verwenden.

Die vordere Stoßstange ist der erste Teil des Fahrzeugs, der mit der Gegenluft in Berührung kommt. Daher weist er in der Regel eine konturierte Form auf, die dafür sorgt, dass die Luft leicht um das Fahrzeug strömen kann. Dadurch wird die Entstehung von Luftwiderstand verhindert, der den Kraftstoff- oder Batterieverbrauch erhöhen kann.

Einige Spritzgießverfahren für Stoßfänger enthalten besondere Merkmale wie seitliche Entlüftungsöffnungen oder Luftvorhänge. Der Zweck dieser Merkmale besteht darin, die Luft zu den Radkästen und Bremsen zu leiten. Die entgegenkommende kältere Luft kühlt das Bremssystem und hilft bei der Bewältigung der von den durchdrehenden Rädern erzeugten Luftverwirbelungen. Dieser Effekt trägt auch dazu bei, den Luftwiderstand zu verringern und die Beschleunigung und Kraftstoffeffizienz zu verbessern.

5. Stoßfänger Formenbau nach Spezifikation des Automobilherstellers

Das Design von Stoßfängern ist kein Einheitsmodell. Jeder Autohersteller hat seine eigenen ästhetischen oder leistungsbezogenen Anforderungen an seine Stoßfänger - und diese können von Modell zu Modell sehr unterschiedlich sein. Das Verfahren zum Formen von Stoßfängern muss mit den internen Erwartungen des Automobilherstellers übereinstimmen.

Für einen Automobilhersteller kann dies die Fähigkeit des Stoßfängers sein, bei einem Unfall mit geringer Geschwindigkeit Schäden an den Scheinwerfern oder den integrierten Sensoren und Kameras zu verhindern. Ein anderer Autohersteller legt vielleicht Wert auf Aerodynamik und Kühlung. Ein dritter Autohersteller legt vielleicht Wert auf die Ästhetik und verlangt einen Stoßfänger, der kratzfest und leicht zu lackieren ist. Zu den Standardtests, mit denen die Automobilhersteller die Leistung von Stoßfängern überprüfen, gehören:

• Stresstest: Simulationsprogramme wie die Finite-Elemente-Analyse werden eingesetzt, um zu bewerten, wie sich der Stoßfänger unter verschiedenen Bedingungen verhält.
• Barriere- und Pendelversuche: Der Stoßfänger wird in verschiedenen Höhen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gegen bewegliche (und stehende) Hindernisse gefahren, um das Aufprallverhalten vorherzusagen.
• Fahrzeug-Testpassung: Wird verwendet, um vor der endgültigen Montage festzustellen, wie gut der Stoßfänger auf das Fahrzeug passt.

Modulare und Mehrkavitätenwerkzeuge werden häufig mit innovativen konformen Kühlkanälen kombiniert, um die Effizienz des Stoßfängerspritzgießens zu verbessern, die Zykluszeiten zu verkürzen und eine gleichmäßige und konsistente Produktqualität zu gewährleisten. Automobilhersteller sollten sicherstellen, dass sie ihre Absichten und Anforderungen klar mit ihrem Formenbauer kommunizieren, um das beste Ergebnis zu erzielen.

Referenz

[1] Mercedes-Benz Konzern. (n.d.). Benz Patent-Motorwagen: Das erste Automobil (1885-1886). Mercedes-Benz Gruppe. https://group.mercedes-benz.com/company/tradition/company-history/1885-1886.html

[2] U.S. Department of Energy. (n.d.). Wie funktionieren Brennstoffzellen-Elektroautos? Datenzentrum für alternative Kraftstoffe. https://afdc.energy.gov/vehicles/how-do-fuel-cell-electric-cars-work

[3] Mauser Packaging Solutions. (n.d.). Post-Verbraucher-Harz (PCR): Was ist das und was sind die Vorteile? Mauser Verpackungslösungen. https://mauserpackaging.com/mauser_news/post-consumer-resin-pcr-what-is-it-and-what-are-the-benefits/

[4] 3Dnatives. (2025, April 11). Alles über Gitterstrukturen im 3D-Druck. 3Dnatives. https://www.3dnatives.com/en/all-about-lattice-structures-in-3d-printing-04112025/