Leichtbau-Technologien im Automobilbau

Um im Automobilbau für den Großserien-Einsatz von CFK industrialisierte Prozesse abbilden zu können, ist der Einsatz von Presstechnologien unerlässlich. Zielsetzung ist eine minimierte Zykluszeit. Im Wesentlichen handelt es sich bei den für CFK angewendeten Presstechnologien um das vakuumunterstützte Hochdruck-RTM-Verfahren für komplexe Bauteile mit hohen Anforderungen an Geometrie und Festigkeit. Daneben wird das Nasspress-Verfahren für geometrisch einfache Bauteile mit geringen Anforderungen an Oberflächenqualität sowie für die Verarbeitung von CFK-Resten das CFK-SMC-Verfahren eingesetzt. Dieser Beitrag von Schuler gibt einen Überblick über die Anforderungen an die jeweilige Pressentechnik.

Der Schlüssel zur automatisierten Fertigung von hochbelasteten faserverstärkten Kunststoffen im RTM-Prozess liegt im reproduzierbaren Preforming von textilen Halbzeugen. Zur systematischen Planung der Preformingtechnologien und somit zur Realisierung von industriell umsetzbaren Abläufen ist die Anwendung von Technologieplanungsansätzen erforderlich.

Neue Fertigungsverfahren wie der Resin-Transfer-Molding-Prozess, in denen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff-Verbunde hergestellt werden können, werden auch im Automobilbau immer bedeutender. Der RTM-Prozess ist dort allerdings eine völlig neue Technologie und erfordert komplett neuartige und bisher bei den OEM unbekannte Werkzeugkonzepte. Durch steigende Stückzahlen sind vor allem die Anforderungen an die Prozessrobustheit stark gestiegen. Für die Prozessüberwachung im RTM-Werkzeug wurde ein neuer, kapazitiver Messsensor entwickelt, der die Matrixankunft sehr genau detektiert und die Anforderungen eines Serienwerkzeugs erfüllt.

Um den Einsatz von Faserverbundkunststoffen aus Kohlenstoff- oder Glasfasern (CFK/GFK) aus der Nische in die breite Anwendung voranzutreiben, müssen die Kosten in jedem Produktionsschritt deutlich gesenkt werden. Dies wird momentan zum einen durch einen erhöhten Automatisierungsgrad erreicht. Zum anderen bieten die vielen Erwärmungsprozesse während der Produktion Optimierungsmöglichkeiten im Hinblick auf ihre Energie- und Zeiteffizienz. Der Einsatz von Infrarot-Strahlung weist hier ein großes Potenzial auf.

Für das anwendungsgerechte Packaging von mikroelektronischen Komponenten in Anwendungen mit aggressiven Umgebungseinflüssen durch Kraftstoffe, Öle oder Vibration und Temperaturbelastung bedarf es des Einsatzes zuverlässiger Vergussmassen. Diesem Anspruch gerecht werden weiterentwickelte Materialien auf Basis säureanhydridvernetzender Epoxidharze.

Materialien, die in Elektromotoren oder Generatoren für Industrie- und Automobilanwendungen zum Einsatz kommen, müssen ganz besondere Eigenschaften aufweisen. Für diesen Bereich eignen sich moderne Epoxid- und Polyurethansysteme, die robuste Motordesigns erlauben und einen kosteneffizienten Einsatz ermöglichen.

Im Karosseriebau haben Klebstoffe ihre Leistungsfähigkeit hinsichtlich der geforderten Festigkeitseigenschaften schon lange unter Beweis gestellt. Wie aber steht es mit den mechanisch-dynamischen Eigenschaften, wenn der Klebstoff zum Fügen einer Querblattfeder aus Stahl in einem Fahrwerk zum Einsatz kommt? Diese Querblattfeder soll zum einen radführende Aufgaben übernehmen und zum anderen durch seinen spezifischen Aufbau eine dämpfende Wirkung zeigen.

Wenn man Bauteile aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen (FVK) wie CFK herstellen möchte, muss man den Prozess ganzheitlich betrachten. Anhand von lokal angepassten Multiaxialgelegen und biegeschlaffer textiler Preforms zeigt die DFG-Forschergruppe 860 aus IKV und ITA der RWTH Aachen University sowie das Fraunhofer IPT, wie Leichtbau im Automobil kostengünstiger reif für die Großserie werden kann. In Zukunft soll so eine Motorhaube aus CFK möglich werden.

Der Leichtbau bedeutet im Betrieb gesteigerte Effizienz und damit Ressourcenschonung. Der damit verbundene Einsatz von Funktionsmaterialien, dem optimalen Werkstoff am richtigen Ort, erfordert die Kombination von zum Teil sehr unterschiedlichen Materialien, bei deren Zusammenfügen klassische Fügeverfahren nicht möglich oder Materialschwächung durch Bohren für beispielsweise gewichtserhöhende Schraub- oder Nietverbindungen prohibitiv sind. Das Fügeverfahren der Wahl ist das Kleben [1]. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über einige aktuelle Aspekte dieser Technologie.

Textilabfälle sind Rohstoffe, die im Sinne des nachhaltigen Wirtschaftens einer stofflichen Wiederverwertung zuzuführen sind. Sie fallen überwiegend als getragene Bekleidung oder als Produktionsabfälle bei der Herstellung von Textilien an. Abfälle aus der Herstellung technischer Textilien, darunter Carbonfaserabfälle, werden dabei sehr oft als Sonderabfälle klassifiziert, für die es heute aus unterschiedlichen Gründen kaum stoffliche Verwertungswege gibt. Eine Möglichkeit zur stofflichen Verwertung ist die Verarbeitung wieder gewonnener Fasern zu Vliesstoffen – ein Weg, der am Sächsischen Textilforschungsinstitut näher untersucht wurde.

Hohlstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen sind aus dem Fahrzeug- und Anlagenbau, dem allgemeinen Maschinenbau sowie dem Sportgerätebau nicht mehr wegzudenken. Das Flechten derartiger Hohlstrukturen ist eine noch junge Technologie mit großem Potenzial, das noch nicht voll ausgeschöpft ist. Das Dresdner Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) hat es sich gemeinsam mit der Leichtbau-Zentrum Sachsen (LZS) GmbH zur Aufgabe gemacht, die Anwendbarkeit der Flechttechnologie in der Industrie weiter zu verbessern. In diesem Beitrag werden die aktuellen Entwicklungsergebnisse auf diesem Gebiet vorgestellt.

Das Fraunhofer IPT hat Produktionspfade zur Herstellung, lokalen Verstärkung und Funktionalisierung von thermoplastischen Organoblechen mittels laserunterstütztem Thermoplast-Tapelegen entwickelt und umgesetzt. Durch die Verarbeitung von Tapes mit thermoplastischem Matrixsystem entfällt im Vergleich zu Duroplast-Prozessen eine energie- und zeitintensive Aushärtung im Autoklaven. So lassen sich vollständig konsolidierte Bauteile mit hoher Schlagzähigkeit in kurzer Taktzeit flexibel und ohne Kontamination der Produktionsanlage großserientauglich herstellen.

Während das Reinigen und Entschichten per Lasereinsatz mittlerweile einen breiten Einsatz gefunden hat, wird das Anwendungspotenzial dieses Verfahrens im Bereich der Klebflächenvorbehandlung bei Weitem noch nicht ausgeschöpft. Dabei lassen sich damit bei gezielter Modifikation beispielsweise von Leichtmetalloberflächen besonders langzeitstabile und reproduzierbare Klebverbindungen erzielen.

Bei der Herstellung der Fahrzeug- und Zwischenböden, Seitenwände und Dächer wird im Reisemobilbau bekanntlich die Sandwichtechnik angewandt. Um in diesem Kontext bei der Serienfertigung von First-Class-Mobilen höchstmögliche Qualität, aber auch Wirtschaftlichkeit gewährleisten zu können, muss bei der eingesetzten Klebtechnik großer Wert auf die Prozesssicherheit gelegt werden.

Multi-Material-Design mit dem Ziel einer optimalen Gewichtsstruktur und Gestaltungsfreiheit bei gleichzeitiger Erfüllung gesetzlich vorgeschriebener Sicherheit im Crashfall ist in der Automobilproduktion ein klarer Trend. Zum Fügen von Verbundwerkstoffen – insbesondere von kohlefaserverstärkten Composites – sind auf dem Markt neue zweikomponentige PU-Klebstoffe verfügbar, die die gestellten Anforderungen erfüllen.

Im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ der RWTH-Aachen University werden derzeit alternative Verfahren zur Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbindungen untersucht. Eines davon ist das thermische Direktfügen, das eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Kunststoff und Metall ermöglicht und ohne die Verwendung von Klebstoffen, Haftvermittlern oder mechanischen Verbindungshilfen auskommt.

Um die hohen Anforderungen in der industriellen Serienfertigung erfüllen zu können, müssen klebtechnische Fügeprozesse so konzipiert sein, dass die Klebstoffaushärtung innerhalb kürzester Taktzeiten mit hoher Zuverlässigkeit erfolgt. Beim Kleben von Kunststoffbauteilen birgt hier das Laserdurchstrahlkleben wegen der lokalen und direkten Wärmeeinbringung ein großes Potential.

Das Kleben als flächige Verbindungstechnik erlaubt eine hohe Ausnutzung des Leichtbaupotentials von Faserverbundkunststoffen (FVK). Voraussetzung ist allerdings eine geeignete Vorbehandlung der Fügeteile. Für den Einsatz in der Serienproduktion empfiehlt sich das Unterdruckstrahlen, das die Klebvorbehandlung von FVK mit hoher Prozesssicherheit und -geschwindigkeit ermöglicht.

Dichtprofile im Automobilbau werden heute meist nicht mehr einzeln gefertigt und manuell auf die entsprechenden Bauteile aufgesetzt, sondern bei der Extrusion direkt auf dem entsprechenden Bauteil fixiert. Dank einer innovativen Lösung mit einer weiteren Roboterachse lässt sich die Leistungsfähigkeit dieser flexiblen Methode jetzt noch weiter erhöhen.

Bisher blieb bei der Auslegung von Klebverbindungen im Automobilbau der Einfluss der Fertigungstoleranzen auf ihr Crashverhalten völlig unberücksichtigt. Um nun die Frage zu beantworten, in welcher Weise die Änderungen u. a. der Klebschichtdicke, des Fugenfüllungsgrades und der Belastungsgeschwindigkeit infolge von Fertigungstoleranzen Wirkung auf das Verhalten geklebter Verbindungen zeigen, wurden entsprechende experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt und analysiert.

Bei der automatisierten Abdichtung von Fahrzeugkarosserien werden üblicherweise Applikationssysteme eingesetzt, die unter anderem aus einer Baugruppe zum Dosieren des Applikationsmaterials und einer weiteren zum Applizieren bestehen. Ein neuartiger Lösungsansatz sieht für die automatisierte Fahrzeugabdichtung die Integration von Dosier- und Applikationsfunktion in einer Baugruppe vor.

Der Trend zur Entwicklung von Fahrzeugen mit Hybrid- oder Elektroantrieb stellt die Automobilbranche vor neue Herausforderungen. Elektrofahrzeuge erfordern leichtere Materialien als herkömmliche Automobile. Damit diese Materialien, wie beispielsweise glas- oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, in die Fahrzeugstruktur integriert werden können, benötigen Automobilhersteller leistungsstarke Klebstoffe, die schnell aushärten und gleichzeitig einfach zu verarbeiten sind. Henkel entwickelt Klebstoffe, um diesen Anforderungen gerecht zu werden.

Der Einsatz der numerischen Simulation zur Berechnung des mechanischen Verhaltens textilbasierter Werkstoffen ist aus mehreren Gründen anspruchsvoll. Beim Drapieren von Textilien auf dreidimensional gekrümmte Bauteile führen die hierbei auftretenden zahlreichen Fadenumlagerungen und Winkeländerungen zu einer drastischen Änderung des textilen Erscheinungsbilds und seiner mechanischen Eigenschaften. Mithilfe der expliziten Finite-Elemente-Methode und auf Basis der am ITV in Denkendorf entwickelten Berechnungsmethoden der Mikromodellierung von Textilien wurden Zug-, Scherungs- und Drapiersimulationen entwickelt.

Mit hochfestem Kleben von Verstärkungselementen in Hohlräume der Fahrgastzelle lassen sich Deformationen im Crashfall begrenzen. Das sogenannte High Strength Bonding (HSB) von Sika verstärkt die Karosserie mittels Strukturelementen dort, wo es notwendig ist. Durch den Einsatz dieser Maßnahmen kann die Fahrzeugkarosserie für die Bedingungen verschiedener Modellvarianten und Märkte gezielt ausgelegt werden. Durch die Kombination von crashfesten Klebstoffen und Leichtbaustrukturen kann die Effizienz der Verstärkungselemente auf ein sehr hohes Niveau angehoben werden.

Die in Lkw heute üblichen Fahrgestelle mit starren Achsen haben große ungefederte Massen. Das schränkt den Fahrkomfort ein und schadet dem Straßenbelag. Im Rahmen eines Forschungsprojekts, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert wurde, entwickelten die Ingenieure von Gratz Engineering konzeptionell ein Leichtbau-Fahrgestell mit Zentralrohr und Einzelradaufhängung. Damit kann das Fahrzeug eine höhere Nutzlast transportieren, gleichzeitig reduziert sich die Fahrbahnbelastung.

Moderne Fahrzeuge sind mit vielen primären und sekundären Sicherheitssystemen ausgestattet. Die Technik, die die Überlebenschancen der Insassen während eines Verkehrsunfalls steigert, wird nach dem Unfall zur Herausforderung für die Rettungskräfte und beeinflusst so direkt die tertiäre Sicherheit. Eine medizinisch und technisch abgestimmte Rettungstaktik in Kombination mit adäquaten Rettungsgeräten ist die Grundvoraussetzung, um eingeklemmte Personen aus modernen Fahrzeugen zu retten. Untersuchungen wie bei der ADAC Unfallforschung verdeutlichen die Probleme und zeigen Verbesserungsmöglichkeiten auf.

Um nachhaltig erfolgreich zu sein, steht das Streben nach Technikführerschaft rund um konstruktiven und werkstofflichen Leichtbau bei den meisten OEMs im Mittelpunkt der Innovationskonzepte. Aus diesem Grund kommt auch bei Engineering-Partnern wie Edag dem Innovationsmanagement mit Leichtbauwerkstoffen und -techniken eine besondere Bedeutung zu.

Um das Transportvolumen bei Nutzfahrzeugen zu erhöhen, werden sogenannte Megatrailer eingesetzt. Im Rahmen des öffentlich geförderten Projekts I-Trail haben die Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen (fka) und das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) zusammen mit der Wecon GmbH einen bahnverladbaren Leichtbau-Megatrailer entwickelt. Neben dem Aufbau und der Evaluierung eines fahrbereiten Aufliegerprototyps werden im Projekt auch Konzepte zur Dämpfungsregelung und Energierückgewinnung sowie mögliche Assistenzfunktionen untersucht.

Bei Kegelraddifferenzialen setzt man seit Jahrzehnten auf eine nahezu unveränderte technische Lösung. Durch den neuartigen Aufbau des NT LightDiff von Neumayer Tekfor können nun die gestiegenen Anforderungen bezüglich Gewicht und Bauraum von einem Kegelraddifferenzial erfüllt werden. Es kann somit einen wesentlichen Anteil zur Erreichung von Effizienz- und CO

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-Zielen beitragen. Der Gewichtsvorteil von 25 % wird dabei durch die Substitution des Differenzialkorbs durch einen querfließgepressten Kegelradträger erreicht.

Gewichtsreduktion ist eine der wichtigen Maßnahmen zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen und damit zur Erfüllung der gesetzlichen CO

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-Vorgaben. Mithilfe eines vereinfachten Verbrauchsmodells für Otto- und Dieselmotoren kann die Frage nach der Auswirkung von 100 kg Gewichtsreduktion auf den Kraftstoffverbrauch mit hoher Allgemeingültigkeit beantwortet werden.

Das Konzeptfahrzeug Cult (Cars UltraLight Technologies) gibt eine Antwort darauf, wie nachhaltige Mobilität in der Zukunft aussehen kann. Cult ist ein Konzept für ein modernes A-Segment-Fahrzeug, das sich auch auf höhere Fahrzeugklassen übertragen lässt. Hinter dem Projekt steht ein Konsortium aus sieben industriellen und wissenschaftlichen Partnern unter der Führung von Magna Steyr.

Das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) und das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) der RWTH Aachen entwickeln zusammen mit Industriepartnern eine CFK-Motorhaube auf Basis des Ford Focus. Gegenüber der Stahl-Referenz kann eine Gewichtsreduktion von 60 % erzielt werden. Durch neue Fertigungstechniken und Simulationsmethoden soll dieses Leichtbaupotenzial auch für größere Stückzahlen erschlossen werden.