Ein Mitarbeiter wischt mit einem Tuch über den roten Autolack.

Die Oberfläche der Karosserie ist bislang ungenutzt. Nanomaterialen könnten ihr jedoch zahlreiche neue Funktionen ermöglichen. Bild: AdobeStock / romaset

Die Haut ist nicht nur das flächenmäßig größte Organ sinnlicher Wahrnehmung, sie ist zugleich das funktionell vielseitigste des menschlichen Organismus. Verglichen damit, erfüllt die Außenhaut des Fahrzeugs weitaus weniger Funktionen, obwohl sie grundsätzlich ein ähnliches Potenzial in sich birgt. „Die Karosserie besitzt eine riesige Fläche, die momentan nicht genutzt wird. Sie verkommt zu einer vergeudeten Oberfläche, die nicht mehr als schöne Farbeffekte zu bieten hat“, konstatiert Carsten Glanz, Gruppenleiter Applikationstechnik Funktionaler Materialien am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). In einem Eigenforschungsprojekt des Instituts wurde bereits 2016 die Grundlage für intelligente Lacke gelegt. Die dafür genutzten Nanomaterialien werden aufgesprüht oder gedruckt und ermöglichen mittlerweile unterschiedliche sensorische und aktorische Anwendungsfälle durch Lackschichten und Folienlösungen – der Wandel hin zu einer Kommunikationsschnittstelle auf der Karosserie.

Was sind Nanomaterialien?

Bild: Fraunhofer IPA

Bei Nanomaterialien handelt es sich zumeist um Partikel oder Agglomerate mit einer Größe von unter 100 Nanometern. Bei der Entwicklung funktionaler Oberflächen im Automotive-Bereich spielen insbesondere Carbon Nanotubes und spezielle Lackpigmente eine wichtige Rolle. Durch ihre Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit oder wärmeaktivierbare Farbänderung können sie für unterschiedliche sensorische oder aktorische Anwendungsbereiche genutzt werden. Die nanoskaligen Funktionspartikel werden dafür meist mit einer Flüssigkeit oder je nach Anwendung mit Kunststoffen vermischt und mittels Sprüh- oder Druckprozessen aufgetragen.

Diese Funktionen übernehmen sensorische Lacke

Sensorische Oberflächen erfreuen sich im Interieur aktuell zunehmender Beliebtheit. Berührungs- oder näherungsempfindliche Bedienflächen ersetzen sukzessiv konventionelle Bedienelemente und schaffen neuartige Interaktionsmöglichkeiten mit dem Fahrzeug. Auf der Karosserie mag die Beanspruchung solcher Lösungen zwar um ein vielfaches höher sein, praktikabel wären sie dennoch, merkt Raphael Neuhaus, Senior Scientist des Fraunhofer IPA, an.

„Sensorische Türgriffe sind bereits Stand der Technik. Wenn man die Hand in die Nähe des Griffes bewegt, wird dieser aktiviert und springt aus der Türoberfläche hervor.“ Demnach wäre es ebenfalls möglich, Bauteile wie den Türgriff vollständig obsolet zu machen oder etwa das Konzept adaptiver Bedienelemente, sogenannter Morphing Controls, auf die Fahrzeugoberfläche zu übertragen. So könnten nicht nur Türen und Heckklappen im Sinne eines Smart Access geöffnet werden, auch die Steuerung des Lichts oder anderer Funktionen wären mittels Elektroden im Lack realisierbar.

Schadenserkennung durch die Karosserie

Inwieweit die Karosserie bereits von sensorischen Funktionen profitiert, zeigt das Contact Sensor System (CoSSy) von Continental, das Berührungen und Beschädigungen am Fahrzeug sowie herannahende Rettungsfahrzeuge erkennt. „Der Umgebungsschall wird dabei ins Verhältnis zu normalen Karosserieschwingungen gesetzt“, erklärt Andreas Forster, Manager Next Generation Technology der Geschäftseinheit Passive Sicherheit & Sensorik bei Continental. Mittels Kamerasystemen könnten Schadensverursacher und -zeit festgehalten und anschließend per App an den Nutzer weitergeleitet werden.

„Mit solchen Lösungen wären digitale Dienste wie automatisierte Schadenserkennung von Mietwagen oder Schadensanpassungen von Versicherungstarifen realisierbar“, erläutert Fraunhofer-Experte Neuhaus den Mehrwert. Zwar handelt es sich bei CoSSy um herkömmlich verbaute Kontaktsensoren, der Gedanke ließe sich Neuhaus zufolge jedoch auf intelligente Lackschichten übertragen, wodurch Bauraum und Gewicht eingespart werden könnten.

Eine Visualisierung von Continental zeigt die Sensoren eines Autos.
Bislang werden Sensoren auf herkömmliche Weise verbaut. In der Zukunft könnten gewisse Funktionen in den Lack integriert werden. Bild: Continental

So können aktorische Lösungen eingesetzt werden

Bei aktorischen Oberflächen erfolgt im Gegensatz dazu eine aktive Zustandsänderung: Hierzu zählen beispielsweise leuchtende Oberflächenelemente, Veränderungen in Farbe, Form oder Textur sowie integrierte Heizflächen. Dabei grenzt sich jedoch bereits im Ansatz die ästhetische Nischentechnologie von der funktionalen Zukunftsvision ab. So seien elektrolumineszente Lacke wie beim leuchtenden Konzeptfahrzeug des Lexus RC F zu teuer und feuchtigkeitsempfindlich, meint Ivica Kolaric, Leiter Abteilung Funktionale Materialien am Fraunhofer IPA.

Thermochrome Lacke, die bei einer gewissen Temperatur die Farbe wechseln, hält er für wesentlich robuster – einzig die UV-Stabilisierung müsse gewährleistet werden. „Die thermochromen Farbpigmente schalten dann auf transparent, wodurch die untere Lackschicht sichtbar wird. Die Wärme kann dabei durch Sonneneinstrahlung oder elektrisch eingebracht werden.“

Thermochrome Lacke senken den Energieverbrauch

Durch den möglichen Wechsel eines hellen oder dunklen Farbtons könnten Einsparungen bei Klimaanlage sowie Heizung erzielt und dadurch der Benzinverbrauch gesenkt oder die Reichweite des Elektroautos erhöht werden. Die Lösung konkurriert allerdings zum Teil mit Lacken, die solche Einsparungen durch die Reflektion von Infrarotlicht erzielen. Und auch die Kosten-Nutzen-Rechnung sei noch offen, bemerkt Hans-Georg Fritz, Leitender Ingenieur bei Dürr Systems.

„Bei der industriellen Fertigung wird auch bei Innovationen die Kostenfrage gestellt. Mehrkosten werden dann akzeptiert, wenn sich für den Verbraucher oder den Hersteller ein Mehrwert ergibt.“ Thermochrome Lacke seien zwar verfügbar, müssten aber die Spezifikationen bezüglich Temperatur- und Wetterbeständigkeit erfüllen. Grundsätzlich würden Nachhaltigkeitsaspekte wie ein reduzierter Energieverbrauch für Endkunden jedoch immer wichtiger, weiß der Dürr-Experte. Deshalb müsse man derartige Ansätze durchaus im Auge behalten.

Der elektrolumineszente Lexus RC F leuchtet im Dunkeln.
Elektrolumineszente Lacke wie beim Konzeptfahrzeug Lexus RC F sind eher eine Nischentechnologie und beschränken sich vornehmlich auf den ästhetischen Wert. Bild: Toyota

Bleiben intelligente Oberflächen eine Zukunftsvision?

Ob funktionale Lackschichten sich letztlich durch einen Kostenvorteil oder Mehrwert auszeichnen und wie die Prozessintegration in der Serienfertigung vonstattengehen könnte, hängt Fritz zufolge vom Einzelfall ab. Er verweist nicht nur auf die bislang hohen Kosten der Lacke, sondern auch auf die fehlenden Lackierzonen innerhalb bestehender Anlagen. „Soll der Sensorlack beispielsweise unter oder zwischen den Basecoat-Schichten aufgebracht und getrocknet werden, wäre dies in den meisten Fällen nicht möglich. So ein Prozess kann möglicherweise nur bei einem Neubau oder aufwändigen Umbau einer Lackieranlage installiert werden“, konstatiert der Oberflächenexperte.

Ivica Kolaric vom Fraunhofer IPA prognostiziert weniger Probleme bei der Integration: „Wir streben eine Veränderung des Fertigungsprozesses und nicht einen neuen Schritt an.“ Je nach Anlage müssten nur ein oder mehrere Sprühroboter zusätzlich in der Lackierlinie integriert werden. „Aufgesprühte Sensoren können sogar günstiger werden als das eingebaute Pendant, da die Lackierung grundsätzlich einen Preisvorteil aufweist“, erläutert Kolaric.

So erfolgt der Anschluss an das Fahrzeugsystem

Eine noch größere Herausforderung ist jedoch die Verbindungstechnik: Leitungsbahnen und Aktuatoren müssten ebenfalls auflackiert und idealerweise ins Fahrzeugsystem eingebunden werden. „Es ist vorstellbar, dass diese Schichten an den Bus des Fahrzeugs angeschlossen und auf diese Weise ausgelesen und angesteuert werden. Demgegenüber stehen energieautarke Systeme, die sich drahtlos vernetzen und versorgen“, so Kolaric.

Da der Verkabelungsaufwand in diesem Sinne eine Schwachstelle ist, zählen für ihn Vibrationswandler, Peltier-Elemente oder Photovoltaik zu den einfacheren Lösungen. Doch je höher der Leistungsbedarf, desto unwahrscheinlich sei eine kontaktlose Umsetzung. „Selbst wenn wir die Lösung so gestalten, haben wir trotzdem noch Kontakte zwischen der Schicht und den Komponenten. Die Kontaktierungsproblematik wird somit bleiben und muss schnell und zuverlässig gelöst werden“, ergänzt Raphael Neuhaus.

Ist die Reparatur intelligenter Lacke praktikabel?

Ein Knackpunkt ist auch die Reparatur. In der Regel bleiben sensorische, intelligente Lacke bei kleinen Beschädigungen funktionsfähig, da die Leitfähigkeit der integrierten Sensorelektroden durch Kratzer oder Absplitterungen wenig beeinträchtigt wird, betont Neuhaus. Normale Kratzer könnten somit weiterhin rauspoliert werden, wird bei einem Unfall allerdings der Basislack angegriffen, leidet auch die Sensorschicht. Dem IPA-Forscher zufolge könnte die elektronische Auswerteeinheit der betreffenden Teilfläche zwar softwareseitig neu kalibriert werden, sodass das System bis zur Reparatur intakt bleibt.

Doch die Grundsatzfrage bleibt bestehen: Ist die Reparatur einer solchen Lackschicht praktikabel? Eine Spezialwerkstatt könnte den Lack durchaus präzise abpolieren und die elektrische Verbindung durch gezieltes Aufbringen eines Reparaturlacks wiederherstellen. Das dafür notwendige Knowhow müsste jedoch erst etabliert werden. Reparaturwerkstätten wären heutzutage noch nicht dazu in der Lage, gibt Hans-Georg Fritz von Dürr zu bedenken.

Eine Lackieranlage von Dürr.
Die Prozessintegration in bestehende Lackieranlagen sowie die Reparatur bleiben aktuell Knackpunkte der Technologie. Bild: Dürr

Elektromobilität bietet Raum für Innovationen

Dass bestehende Sensorlösungen nicht zwangsweise ersetzt, sondern auch ergänzt werden können, zeigen Ansätze des Lichtspezialisten Hella auf. Dieser nutzt die neuen Designmöglichkeiten im Zuge der Elektromobilität für den Einsatz von Folienlösungen. „Da der klassische Kühlergrill bei Elektroautos entfällt, nutzen bereits einige Hersteller sogenannte Black Panels und versehen diese zunehmend mit mehr Funktionalitäten“, kommentiert Tobias Sprute, Product Center Interior and Car Body Lighting Global bei Hella.

Mittels radardurchlässiger Heizfolien könne die Funktionsfähigkeit der dahinter verbauten Sensorik bei Schnee und Eis gewährleistet sowie unterschiedliche Farbeffekte unter Verwendung kolorierter Folien erzeugt werden. „Wir arbeiten an ersten Anlaufprojekten, in denen wir diese Kombination entwickeln. Es kommen mehr und mehr Anfragen, die in diese Richtung gehen“, berichtet Sprute. Bei der Serienentwicklung kämen zwar Herausforderungen wie Delamination auf, doch der Hella-Experte ist zuversichtlich, dass Ende 2022 der erste OEM die Lösung auf die Straße bringt.

Folien ermöglichen neue Designkonzepte

Für das Heck des Fahrzeugs entwickelt der Zulieferer aus Lippstadt gemeinsam mit Covestro ein Schlusslicht, das sich durch holographische 3D-Effekte abheben soll. „Schwebende“ Logos, Buchstaben oder Signaturen sollen dabei eine Tiefe suggerieren, ohne dass bei flachen Leuchten der entsprechende Bauraum vorhanden sein muss.

„Wir sind bei den Heckleuchten grundsätzlich vom Styling getrieben. Nach aktuellem Stand werden Folien die konventionelle Lösung jedoch nicht ersetzen, sondern sie ergänzen“, betont Ludger Rembeck, Mitglied der Geschäftsleitung Licht bei Hella. Künftig könnte der holographische Effekt jedoch auch der reinen Ästhetik entwachsen und diverse Funktionen bedienen.

Wie haltbar sind Folien in Heckleuchten?

Bei der aktuellen Lösung wird die holographische Folie gespannt, von Layern geschützt und die transparente Außensichtscheibe mit dem Gehäuse verschweißt. So soll gewährleistet werden, dass sie formstabil bleibt und bei Feuchtigkeitsbeschlag nicht ihre Funktionsfähigkeit verliert. „Sie sind dann für eine Haltbarkeit über einen ganzen Fahrzeuglebenszyklus konzipiert“, gibt Rembeck einen Einblick in die Lebensdauertests. Auch die Kosten des Gesamtsystems würden sich weiterhin im heute üblichen Rahmen für Heckleuchten bewegen.

„In der Zukunft könnten aber auch Bereiche transparent gelasert werden, sodass aufgedruckte Sensorik oder OLEDs hinter der Karosserie – geschützt vor der Umwelt – angebracht werden”, gibt Ivica Kolaric vom Fraunhofer IPA zu Bedenken. Ein Verfahren, an dem Rembeck zufolge auch Hella arbeitet: „Laserablation ist insbesondere für integrierte Lösungen geeignet, da nicht jedes Bauteil einzeln verbaut werden muss. Es entstehen keine Fugen, Sensoren können integriert und völlig neue Designkonzepte erdacht werden.“

Die von Hella und Covestro entwickelte holographische Heckleuchte.
Neue Oberflächenkonzepte müssen nicht zwangsweise mit Lacken umgesetzt werden, auch Folienlösungen bieten sich an. Bild: Hella

Fazit: Die Kombination ist entscheidend

In welcher Weise die Karosserie nutzbar ist, hat Sono Motors bereits mit seinem Solarzellen-Fahrzeug aufgezeigt. Nun liegt es an den Autoherstellern und Zulieferern, diesen Gedanken in unterschiedlicher Weise auszugestalten. Denn: Die Außenfläche kann durchaus multisensorisch oder -aktorisch ausgelegt werden, wie Raphael Neuhaus abschließend anmerkt. „Unter einer äußeren Schicht zur Umwandlung von Solarenergie können flächige Näherungs- oder Drucksensoren integriert werden.“

Elektromobilität und autonomes Fahren könnten in dieser Hinsicht zu einem Katalysator für Innovationen werden, insbesondere wenn leichtere Materialien im Karosseriebereich Einzug halten. So ließe sich etwa ein kunststoffbeplanktes Bauteil leichter austauschen. Die Karosserie der Zukunft ist wandlungsfähig: Sie verändert ihre Farbe, kann heizen, Objekte erfassen und mit der Umwelt interagieren. Doch bis es soweit sein könnte, werden womöglich noch zwei oder drei Produktzyklen vergehen.

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