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Detailansicht eines Faserverbundwerkstoffs
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Fahrzeugbau: Leichte Lösungen durch Faserverbundwerkstoffe
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Fahrzeugbau: Leichte Lösungen durch Faserverbundwerkstoffe

Gewicht einsparen – schon lange ein wichtiges Ziel der Automobilentwicklung. Denn leichtere Fahrzeuge verbrauchen weniger Kraftstoff und stoßen weniger Schadstoffe aus. Der Umbau des Energiesystems, der Schutz des Klimas und der bewusstere Umgang mit Ressourcen lassen die Nachfrage nach Konzepten und Materialien für den Leichtbau deutlich steigen. Gerade auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge müssen möglichst leicht sein, um alltagstaugliche Reichweiten zu erzielen. Fahrzeugteile aus Leichtbauwerkstoffen sollen jedoch die Insassen bei einem Unfall ebenso gut schützen wie Teile aus herkömmlichen Materialien. Darüber hinaus sollen sie sich kostengünstig und in Serie herstellen lassen.

Ein großes Potenzial für den Fahrzeugbau weisen Faserverbundwerkstoffe auf: Diese Materialien bestehen aus einer Matrix sowie darin eingebetteten extrem dünnen Fasern. Erst das Zusammenwirken beider Komponenten verleiht dem Werkstoff eine hohe spezifische Festigkeit, das heißt ein günstiges Verhältnis zwischen Zugfestigkeit und Dichte. Laminate aus faserverstärkten Kunststoffen, wie Glasfaserlaminat (GFK) oder Kohlenstofffaserlaminat (CFK) haben sich bereits in der Luft- und Raumfahrt sowie im Rennsport bewährt. Im Fahrzeugbau können sie Stahl in den höchstbelasteten Strukturen ersetzen und das Gewicht deutlich senken.

Starke Partnerschaften sollen Automobilleichtbau vorantreiben

Um die Industrialisierung von Faserverbundbauteilen im Automobilbau voranzutreiben, wurde der Technologie-Cluster Composite – TC² gegründet. Durch die enge Zusammenarbeit der beteiligten Forschungseinrichtungen sollen die Kräfte und Kompetenzen der einzelnen Partner gebündelt werden, um gemeinsam die technischen Schwierigkeiten bei der Industrialisierung von Faserverbundbauteilen im Automobil zu überwinden und damit umweltfreundliche Mobilität für das 21. Jahrhundert bereitzustellen. Zu den Forschungspartnern gehören das KIT, die Universität Stuttgart, die Fraunhofer-Gesellschaft mit mehreren Instituten, das Institut für Textil und Verfahrenstechnik (ITV) Denkendorf, das Automotive Simulation Center Stuttgart (ASCS) sowie die Hochschulen Ravensburg-Weingarten, Esslingen und Konstanz.

Der Lehrstuhl für Leichtbautechnologie am KIT, geleitet von Professor Frank Henning, wurde aufgrund seiner Vernetzung in der Forschungslandschaft Süddeutschlands, die im Kompetenzzentrum Fahrzeugleichtbau (KFL) und dem Innovationscluster für hybriden Leichtbau (KITe hyLITE) etabliert wurde, mit der Koordination des Gesamtprojekts beauftragt. Das baden-württembergische Wissenschaftsministerium fördert TC² mit insgesamt rund 9,2 Millionen Euro; die Mittel kommen unter anderem aus der Zukunftsoffensive IV und dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE). Weitere 7,2 Millionen Euro tragen Partner aus der Industrie bei.

Der Cluster soll keine Kooperation auf Zeit sein, sondern die Basis für eine langfristige Zusammenarbeit der Partner im Bereich Automobilleichtbau legen und Baden-Württemberg zu einem international führenden Standort für Faserverbundwerkstoffe im Automobilbau machen.

Technologische Betrachtungen stehen ganzheitlich im Focus

„TC² zielt auf die Industrialisierung der RTMund SMC-Prozesskette zur Fertigung von Composite-Strukturbauteilen- und Außenhautbauteilen mit dem Ziel des serienfähigen Fahrzeugleichtbaus in Verbindung mit innovativen Fertigungskonzepten und -technologien“, sagt Clusterleiter Professor Frank Henning. Herausragendes Merkmal von TC² ist die ganzheitliche Betrachtung der technologischen Herausforderungen, die nicht von Einzelproblemen ausgeht, sondern Zusammenhänge in durchgängigen Ketten in den Fokus stellt. Für die Industrialisierung werden besonders eine durchgängige Kette für die effiziente Massenproduktion von Bauteilen mit dem RTM- oder SMC-Verfahren sowie eine durchgängige Kette für die virtuelle Produktentwicklung (Simulation) benötigt. Diese Ketten stehen im Zentrum von TC².

Beim RTM-Verfahren werden gemäß dem Stand der Technik technische Textilhalbzeuge, welche in Form von Wirrfasermatten, Gelegen und/oder Geweben vorliegen, in einen endkonturnahen Zustand gebracht, welcher als Preform (Vorformling) bezeichnet wird. Bei flächigen Bauteilen kann dies lediglich das Vorkonfektionieren (Zuschneiden, Stapeln des Lagenaufbaus) der Faserlagen sein. Bei komplexen Bauteilen werden die Fasern zu bauteilnahen Geometrien umgeformt. Das sogenannte Preform wird anschließend in ein Formwerkzeug positioniert. Das zweiteilige Formwerkzeug wird geschlossen, und ein duromeres Harzsystem wird unter Druck in das Formwerkzeug injiziert. Unter Wärme und Druck härtet das Bauteil aus. Dieses wird nach dem Entformen meist noch nachbearbeitet, um Löcher oder Durchbrüche zu erzeugen oder Ränder zu glätten. Das RTM-Verfahren liefert Strukturbauteile mit hoher Festigkeit und hochwertiger Oberfläche. Allerdings müssen einige der Einzelschritte noch manuell ausgeführt werden. Das kostet Zeit und Geld.

Im TC²-Teilprojekt „RTM-Fertigungsprozesskette – Innovativ, Hochintegriert“ entwickeln Forscher eine hochautomatisierte Fertigungskette, die es ermöglicht, komplexe Hochleistungsfaserverbunde in hohen Stückzahlen wirtschaftlich herzustellen. Übergeordnetes Ziel ist, die Zykluszeiten der RTM-Technologie signifikant zu verkürzen und damit die Fertigungskosten sowie daraus resultierend die Produktkosten signifikant zu senken. Die Forscher beschäftigen sich intensiv mit der Weiterentwicklung und Optimierung der Einzeltechnologien – vom Zuschnitt über das automatisierte Drapieren von Textilien zu einem Preform, die Entwicklung großserienfähiger Werkzeugkonzepte bis hin zur Infiltration der Fasern mit schnellaushärtenden Harzsystemen und der nachgeschalteten Nachbearbeitung. Parallel zu den Arbeiten wird in einem weiteren TC²-Teilprojekt „Aufbau und Demo-Betrieb einer Fertigungsprozesskette für die prototypische Herstellung von Faserverbundstrukturen im RTM-Verfahren“ eine durchgängig automatisierte Prozesskette für das RTM-Verfahren aufgebaut und am Ende die Leistungsfähigkeit dieser Technologie anhand eines Demonstratorbauteils aufgezeigt.

Virtuelle Abbildung der Prozesskette im Teilprojekt RTM CAE/CAx

Parallel zur „RTM-Fertigungsprozesskette“ läuft das Teilprojekt „RTM CAE/CAx – Aufbau einer durchgängigen CAE/CAx-Kette für das RTMVerfahren“. Ziel dieses Teilprojekts ist, die Prozesskette virtuell abzubilden. Dafür werden die einzelnen Simulationsschritte, sowohl für den Herstellprozess als auch für das Bauteilverhalten, virtuell miteinander verknüpft. Diese Verknüpfung ermöglicht zum einen die Berücksichtigung von Herstellungseffekten, die während des Prozesses entstehen und durch die Simulation beschrieben und weitergegeben werden. Zum anderen erlaubt sie eine iterative Strukturoptimierung über mehrere Simulationsschritte hinweg sowie schließlich über die gesamte Simulationskette. Somit wird der Weg für eine ganzheitliche Produktentwicklung bereitet.

In dem Teilprojekt „Forschung für eine geschlossene Simulations- und Fertigungsprozesskette für crashrelevante Faserverbundstrukturen im Automobilbau“ liegt der Fokus auf der Weiterentwicklung von Simulationsmodellen sowie der Fertigungstechnik für crashrelevante Hohlbauteile im RTM-Verfahren für die Großserie. Im Gegensatz zur „RTM-Fertigungsprozesskette“ liegt in diesem Projekt besondere Aufmerksamkeit auf dem Flechtprozess zur Herstellung des Preforms. Mit dem Hochdruck-RTM-Verfahren wird dieser Flechtrohling mit zusätzlichen funktionsintegrierten Elementen, beispielsweise Krafteinleitungselementen, Hinterschnitt und einem Flansch, integral gefertigt werden.

SMC (Sheet Moulding Compound) ist ein Faser-Matrix-Halbzeug in Plattenform. Diese Form erlaubt es, auch längere Fasern einzusetzen. Die Fasern sind in eine duroplastische Matrix eingebettet, die sich nach dem Aushärten nicht mehr umformen lässt. Vorteile von SMC sind geringe Dichte, Formstabilität, Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Außerdem lassen sich bei SMC besonders gleichmäßige Oberflächen erzielen, sodass sich das Halbzeug unter anderem zur Herstellung lackierbarer Verkleidungsteile für Fahrzeuge eignet. Der bisherige Prozess zur SMC-Herstellung ist allerdings noch ziemlich aufwendig und birgt starke Qualitätsschwankungen. Das TC²-Teilprojekt „InnoSMC“ zielt darauf, diese Schwankungen sowohl beim Halbzeug als auch bei den daraus gefertigten Bauteilen auf ein Minimum zu reduzieren sowie eine größere Bandbreite von Materialeigenschaften zu verwirklichen. Außerdem geht es darum, Simulationsmethoden und Modelle für SMC zu entwickeln und zu verbessern, um die gesamte Kette – von der Herstellung des Materials bis zum Endprodukt – numerisch abbilden zu können. Dies dient dazu, sämtliche Eigenschaften des Bauteils bereits in der Konstruktionsphase besser zu nutzen.

 

 

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