Durch eine lokale Tape-Applikation (mittlerer Streifen) lässt sich der mittlere Biegemodul von glasfaserverstärktem Thermoplast steigern. Foto: Fraunhofer IPT

In Serie lokal verstärken

Leichtbau

Automatisierte Fertigung von funktionsintegrierten Leichtbaustrukturen aus faserverstäktem Thermoplast, lokal verstärkt mit UD-Tapes.

Leichtbaukomponenten aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) ermöglichen geringe Fahrzeuggewichte und können somit die Reichweite von Fahrzeugen erhöhen. Doch wirtschaftliche Fertigungsverfahren für die Großserie sind nur begrenzt vorhanden.

Demonstrator einer Bodengruppe für Elektrofahrzeuge Foto: Fraunhofer IPT
Demonstrator einer Bodengruppe für Elektrofahrzeuge Foto: Fraunhofer IPT

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT hat gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung Verfahren zur automatisierten Herstellung von FVK-Bauteilen für die Großserie entwickelt, die die Kosten für den Leichtbau im Automobilbau senken können. Ziel hierbei ist die Minimierung von Material- und Prozesskosten durch eine belastungsoptimierte Auslegung und automatisierte Fertigung der Bauteile. Exemplarisch werden an dieser Stelle ein System zur Herstellung von belastungsoptimierten Blechen, sogenannten „Tailored Blanks“, und Möglichkeiten zur verschnittfreien Verarbeitung von unidirektional faserverstärkten Thermoplastbändern (UD-Tapes) vorgestellt.

Eine generische Bodengruppe für Elektrofahrzeuge zeigt die Machbarkeit und Potenziale einer Kombination von verschiedenen Verfahren und Materialien auf. Leichtbauwerkstoffe kommen in Autos in vielfältigen Bereichen zum Einsatz. In lasttragenden Strukturen müssen diese nicht nur so leicht wie möglich sein, sondern gleichzeitig die mechanischen Anforderungen erfüllen. Denn im Falle eines Unfalls müssen diese Materialien genauso hohen Kräften standhalten wie ein konventioneller Stahl- oder Aluminiumwerkstoff.

Lokal verstärkt und hoch belastbar

Für die Herstellung der Leichtbaukomponenten aus FVK setzt das Fraunhofer IPT auf automatisierbare Fertigungsverfahren wie zum Beispiel das Tape­legen. Hiermit können thermoplastische Bauteile durch endlosfaserverstärkte Tapes an besonders belasteten Stellen lokal verstärkt werden. Vorteil des Verfahrens aus der Kombination kostengünstiger Thermoplastbauteile mit hochleistungsfähigen Tapes sind besonders die kurzen Zykluszeiten unter einer Minute sowie einstellbare mechanische Eigenschaften des fertigen Bauteils.

Hierbei wird gewöhnlich entweder eine Glas- oder eine Kohlenstofffaser je nach Anforderung gewählt. Kohlenstofffasern eignen sich bei hohen Steifigkeitsanforderungen und für eine maximale Gewichtsreduzierung. Die Glasfasern bieten eine sehr wirtschaftliche Alternative im Besonderen hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften. Durch die gezielte Applikation weniger Tapes an den überdurchschnittlich hochbelasteten Stellen im Bauteil kann die durchschnittliche Bauteildicke reduziert werden oder durch ein kostengünstigeres oder leichteres Material substituiert werden. Auf diese Weise lassen sich sowohl der Material­einsatz als auch das Bauteilgewicht drastisch reduzieren.

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Bereits eine lokal applizierte Tapelage auf ein wirrglasfaserverstärktes Basismaterial (Glass Mat Thermoplastic – GMT) bewirkt eine lokale Steigerung der Biegesteifigkeit von bis zu 243 %.

Bereits eine lokal applizierte Tapelage auf ein wirrglasfaserverstärktes Basismaterial (Glass Mat Thermoplastic – GMT) bewirkt eine lokale Steigerung der Biegesteifigkeit von bis zu 243 %. Die möglichen Gewichtseinsparungen von semistrukturellen Bauteilen, welche bereits aus GMT hergestellt und in der automobilen Großserie eingesetzt werden, liegen kostenneutral bei circa 10 bis 30 %. Eine mögliche Anwendung sind Scharnierregionen der Kofferraum­innenauskleidung, hier treten hohe lokale Kräfte durch eine stoßartige Belastung beim Schließen des Kofferraums auf.

Alternativ zu dem lokalen Verstärken von Bauteilen ist es ebenfalls möglich, komplette maßgeschneiderte Bleche aus Tapes aufzubauen.

Zur lokalen Verstärkung flächiger Halbzeuge nutzt das System Infrarotstrahler zum Verschweißen der einzelnen Lagen. Foto: Fraunhofer IPT
Zur lokalen Verstärkung flächiger Halbzeuge nutzt das System Infrarotstrahler zum Verschweißen der einzelnen Lagen. Foto: Fraunhofer IPT
Anlagentechnik für die Serienfertigung

Für das Fertigungsverfahren wurde eine Anlagentechnik entwickelt, die belastungs- und verschnitt­optimierte Organobleche großserien­tauglich herstellt. Diese Anlage eignet sich darüber hinaus für die lokale Verstärkung von flächigen thermoplastischen Basismaterialien. In Kombination mit einem nachgelagerten thermischen Umformprozess kann das Blech in eine dreidimensionale Endkontur gebracht werden. Das System nutzt Infrarotstrahler als Wärmequelle zum Verschweißen der einzelnen Lagen. Dieses eigenständige System kommt ohne Zusatz­ausrüstung wie Roboter aus und bietet durch seine variable, flächige Konsolidierstrecke eine große Vielfalt an Einsatzfeldern.

Mit Ablagegeschwindigkeiten bis zu 1 m/s können thermoplastische Bauteile mit einer Gesamtbreite von maximal 1 m hergestellt und lokal verstärkt werden. Der Schlüssel zu der hohen Effizienz des Systems liegt darin, in einem Prozessschritt die Tapes über die vollständig applizierte Länge mit dem Bauteil stoffschlüssig zu verbinden und nachgelagerte Besäumungsschritte zu vermeiden.

Generischer Demonstrator

Zur Veranschaulichung der Potenziale wurde am Fraunhofer IPT ein generischer Demonstrator für eine Bodengruppe eines Elektromobils hergestellt, in dem die Batterie untergebracht wird. Eine lokal verstärkte Sandwichstruktur dient dabei als Bodenplatte, die durch Ultraschallschweißen mit den Kunststoffseiten­teilen verbunden wurde. Die Profile für die Seitenteile bestehen aus Organoblechen, die durch Thermoformprozesse hergestellt wurden. Der Seitenschweller selbst wurde im vollautomatisierten Tapelegen hergestellt. Eine durchgängige CAx-Prozessdatenkette bildet die Grundvoraussetzung für die vollständige Automatisierung und Verknüpfung dieser aufeinander folgenden Fertigungsschritte.

C. Brecher, H. Janssen, C. Buschhoff und T. Peters, Fraunhofer IPT

 

Anlaufbild: Fraunhofer IPT