Am Fraunhofer IAP wird die Automated-Fiber-Placement-Technologie eingesetzt, um sehr leichte Antriebswellen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen herzustellen. Dank der thermoplastischen Matrix sind die Bauteile recyclebar.
Forschende am Fraunhofer IAP entwickeln gemeinsam mit Partnern ein sehr leichtes Antriebs- und Seitenwellensystem für Pkw und Lkw, dessen Matrix aus thermoplastischen Materialien besteht.
WFBB, Fotograf: Jungblut & Büssemeier
Bereits Antriebswellen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff mit duroplastischer Matrix sind durch ihre geringere Dichte und weniger erforderliche Lagerstellen etwa 60 % leichter als ihre metallischen Pendants. Zudem zeichnen sie sich durch bessere mechanische Eigenschaften aus. Trotzdem lassen sie sich hinsichtlich Gewicht und Recyclingfähigkeit weiter optimieren. Dieser Aufgabe widmen sich nun Forschende der Fraunhofer-Projektgruppe "Zentrum für nachhaltige Leichtbautechnologien" (ZenaLeb), einer Projektgruppe des Forschungsbereichs Polymermaterialien und Composite PYCO am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP), gemeinsam mit Partnern aus der Industrie. "Im ersten Schritt wollen wir gewickelte Antriebs- und Seitenwellen mit duroplastischer Matrix optimieren. Im zweiten Schritt entwickeln wir Wellen mit thermoplastischer Matrix", fasst Felix Kuke, Leiter des ZenaLeb, die Vorgehensweise zusammen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert das Vorhaben.
AFP-Technologie für besseren Leichtbaugrad
Wie die Wissenschaftler erklären, werden Antriebswellen mit duroplastischer Matrix derzeit mittels Filament Winding produziert. Bei diesem Herstellungsverfahren werden mit Harz getränkte Filamente unter Spannung um eine rotierende Achse gewickelt und in einem weiteren Schritt ausgehärtet. Die geplanten thermoplastischen Antriebs- und Seitenwellen hingegen sollen nun mittels Automated-Fiber-Placement-Technologie (AFP) hergestellt werden. "Bei der AFP-Technologie werden Prepregs, also vorimprägnierte Bänder, die Carbonfasern enthalten, mittels eines Lasers erhitzt und anschließend robotergesteuert und vollautomatisiert auf einer sich drehenden Rotationsachse abgelegt. Eine zusätzliche Aushärtung ist nicht notwendig", erläutert der Forscher.
Weitere Vorteile der AFP-Technologie: Die Bänder könnten laut den Wissenschaftlern während des Vorgangs abgeschnitten und an anderen Stellen abgelegt werden, wodurch sich neue Winkel, Wickelmuster und Formen erzielen lassen. Die Antriebswellen ließen sich also frei umwickeln. Im Gegensatz zum Filament Winding sei man nicht an vorgegebene Wickelmuster gebunden. Dies führe zu einem besseren Leichtbaugrad gegenüber den aktuellen duroplastischen Bauweisen, wodurch der Kraftstoffverbrauch während der Nutzungsphase laut Berechnungen des Fraunhofer IAP um 0,3 % gesenkt und die CO2-Emissionen für neu zugelassene Pkw und Lkw in Deutschland "beträchtlich reduziert" werden könnten, heißt es. Im Vergleich zu stahlbasierten Antriebswellen sei sogar eine Einsparung des Gewichts von mehr als 65 % möglich. "Der AFP-Prozess ermöglicht es Herstellern, hohe Produktivitätsraten zu erzielen. Unser Ziel ist es, das Fertigungskonzept für eine großserientaugliche Herstellung umzusetzen", so Kuke.
Digitale Überwachung des Produktlebenszyklus
Um die komplette Prozesskette nachverfolgen und so den CO2-Fußabdruck senken zu können, soll der Produktlebenszyklus – von der Herstellung des Grundwerkstoffs bis hin zum Recycling – mithilfe integrierter Sensorik abgebildet und überwacht werden. Hierfür werden faseroptische Sensoren und Dehnungsmessstreifen in die Antriebswellen eingewickelt – auch die Anlagen werden entsprechend ausgerüstet. Die Prepregs seien bereits mit einem QR-Code versehen, der Auskunft über die verwendete Faser sowie das Matrixsystem geben soll, was wiederum entscheidend für das Recycling sei.
Durch die Integration von Product-Branding-Konzepten und Sensorsystemen lasse sich, so die Forscher, die Herstellung der neuen Wellen ökologisch bewerten und der erforderliche Energie- und Ressourcenverbrauch ermitteln. Digitalisierungs- und Simulationstools in Form eines digitalen Zwillings sollen den Optimierungsprozess sowie die Qualitätssicherung unterstützen und die Steigerung des Leichtbaugrads ermöglichen. "Mit geeigneten Digitalisierungstools sind wir in der Lage, ganze Baugruppen rechnerisch auszulegen", sagt der Forscher.