Roechling Automtotive_Battery Housing

Mehrlagiges Materialwunder

Leichtbau

Ein Sandwich aus glasfaserverstärktem Polypropylen mit Folien aus Aluminium ermöglicht ein neues Fahrzeugbodenkonzept.

Moderne Kraftfahrzeuge sollen immer mehr Funktionen bieten und dabei strikte Verbrauchs- und Emissionsrichtlinien erfüllen. Gleichzeitig ist die Reichweite von Elektrofahrzeugen stark gewichtsabhängig. Einsparungen beim Gewicht sind daher sowohl für den zukünftigen Erfolg konventioneller Fahrzeuge wie auch der Elektromobilität zwingend notwendig. Der Leichtbau zeigt hier großes Potenzial, wirft jedoch Sicherheitsfragen auf. Integrierte Leichtbauteile müssen folgerichtig strenge Anforderungen in puncto Steifigkeit und Crashsicherheit erfüllen. Einen Lösungsansatz stellt Röchling Automotives neueste Entwicklung im Bereich leichter Werkstoffe dar: der Integrated Sandwich Floor (ISF).

Innovative Leichtbaumaterialien

Klassische Aufgaben des Fahrzeugbodens sind der Schutz der Karosserie, etwa vor Steinschlag, und die akustische Isolation. Zudem werden eine optimale Aerodynamik und thermische Abschirmung gefordert. Während ein konventioneller Boden aus einer Reihe Einzelkomponenten besteht, kombiniert ISF alle nötigen Funktionen in einem Bauteil.

„Der Sandwichboden aus GF-Thermoplast und Alufolien ist ein Vorreiter im Bereich tragender Leichtbaukomponenten.“, Markus Sattel, Röchling Automotive.

Die Basis bildet dabei ein LWRT-Werkstoff (Low Weight Reinforced Thermoplastics) namens Stratura, das Kernmaterial des Sandwichs. Es handelt sich um ein glasfaserverstärktes Polypropylen. Stratura bietet sehr gute Isolationseigenschaften, ist dabei leicht und kann mit individuell skalierbaren Funktionen ausgestattet werden. Versehen mit zwei mikroperforierten Aluminiumschichten sowie einem Teppich oben und Steinschlagschutz unten ergibt sich der Integrated Sandwich Floor (ISF).

Eine wichtige Eigenschaft ist das Crashverhalten des ISF. Während Bauteile aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) bei einem Unfall aufbrechen können, absorbiert der in Sandwichbauweise konstruierte ISF die dabei freigesetzte Energie. Die Stratura-Komponente nimmt dabei eine ähnliche Menge an Crashenergie auf wie ein 0,8 mm dickes Stahlblech. Ferner spart der Werkstoff über 50 % Gewicht gegenüber konventionellen Materialien.

Konzeptausbau und Materialverbesserung
Integrierter Sandwichboden, bestehend aus Teppich, mikroperforierter Aluminiumschicht, glasfaser­verstärktem Thermoplast, mikroperforierter Aluminiumschicht und Steinschlagschutz. Foto: Röchling
Integrierter Sandwichboden, bestehend aus Teppich, mikroperforierter Aluminiumschicht, glasfaser­verstärktem Thermoplast, mikroperforierter Aluminiumschicht und Steinschlagschutz.
Foto: Röchling

Der Sandwichaufbau des ISF erlaubt es, die Kernkomponente für spezifische Anforderungen einzustellen. Je früher diese definiert werden, desto besser klappt die Optimierung. Form, Struktur und Materialstärke können dabei individuell angepasst werden. So entsteht durch die Kombination zahlreicher Materialschichten eine hybride Leichtbaukomponente.

Auf der Basis von Stratura erweiterte Röchling Automotive sein Werkstoffportfolio kontinuierlich. Zunächst entwickelte man Stratura Hybrid, das sich dank seiner skalierbaren physikalischen Eigenschaften gut für Hybrid- und Elektrofahrzeuge eignet. Hauptvorteil ist die Integration einer oder mehrerer Schichten mikroperforierter Aluminiumfolie zur Optimierung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Durch die Isolation gegen Induktionsfelder, welche gerade bei reinen Elektrofahrzeugen auftreten, können schädigende Ströme in benachbarten elektrischen Komponenten vermieden werden. Schon eine 0,1 mm dicke Schicht des Metalls erlaubt Schirmdämpfungen von über 110 dB. Zudem lässt sich die Steifigkeit des ISF durch die Integration von Hohlprofilelementen aus Aluminium steigern.

Bedarfsorientierte Funktionsintegration

Die Sandwichbauweise des ISF und seine verschiedenen Werkstoffe vereinen nicht nur gute thermische und akustische Eigenschaften in einem großen und leichten Bauteil; sie erlauben auch die komplette Substitution von Bodensystemen. Verglichen mit konventionellen Bodenkonzepten erlaubt der ISF bis zu 30 kg und somit 50 % Gewichtseinsparung. Im Bereich der Sicherheitsfunktionen hebt sich der ISF von anderen Leichtbauansätzen ab – er ist als integriertes, tragendes Karosserieteil konzipiert und dringt damit in ein traditionell von Aluminium oder Stahl geprägtes Feld vor.

50 Prozent Gewichtsersparnis erlaubt der Integrated Sandwich Floor verglichen mit konventionellen Bodenkonzepten. Das sind bis zu 30 kg weniger Gewicht.

Kennzeichnend ist vor allem die hohe Steifigkeit der mehrschichtigen Konstruktion. Im Kollisionsfall verteilt sich die einwirkende Energie dank dieser Sandwichstruktur gleichmäßig. Es tritt also an keinem einzelnen Punkt eine Belastung auf, die potenziell zu einem Bruch führen könnte. So steigert der ISF die Crashfestigkeit des gesamten Fahrzeugs.

Schlanker Produktionsprozess

Dank der flexiblen Struktur lässt sich die Konstruktion auch in späteren Entwicklungsschritten in ihren Eigenschaften verändern, was den Entwicklungsingenieuren mehr Flexibilität bietet. Diese Individualisierung gelingt durch eine Kombination von detaillierten Materialabstimmungen und Softlofting. In diesem Verfahren entsteht ein dreidimensionales Netzwerk aus Polypropylen-gebundenen Glasfasern im Presswerkzeug. Neben individueller Gestaltung von mechanischen und akustischen Eigenschaften des Werkstoffs steigert das Verfahren auch die akustische Absorptionsfähigkeit des Bauteils. Mit einem One-Shot-Fertigungskonzept, bei dem alle Materialien zeitgleich verpresst werden, verschlankt Röchling Automotive zudem den Produktionsprozess deutlich.

Zukunftsaussichten
Markus Sattel mit dem Integrated Sandwich Floor. Foto: Röchling
Markus Sattel mit dem Integrated Sandwich Floor.
Foto: Röchling

Röchling Automotive entwickelt den ISF konsequent weiter, um den aktuellen Leichtbautrend aktiv zu begleiten. So spart das neue Bodenkonzept nicht nur in konventionellen Fahrzeugen Gewicht und Kraftstoff. Auch die Integration in Hybrid- und Elektrofahrzeuge ist möglich. Zukünftig könnten auch Komponenten des Antriebsstrangs oder induktive Ladestrukturen im ISF integriert werden. Besonders die Crashsicherheit und der hohe EMV-Schutz von Stratura Hybrid machen diese Optionen technisch attraktiv.

In einer weiteren Röchling-Automotive-Neuheit, dem multifunktionalen Batteriegehäuse, zeigt der Werkstoff bereits sein Können. Die leichte, günstige Lösung aus Stratura Hybrid schützt die Batterie bei Unfällen und sorgt dank ihres hohen EMV-Schutzes auch für optimalen Schutz der elektrischen Komponenten im Betrieb.

Fazit: Der Integrated Sandwich Floor stellt einen ganzheitlichen Lösungsansatz für kollisionsfeste Leichtbaukomponenten dar. Ziel dieser Entwicklung ist es, komplexe Strukturen im Fahrzeugboden leichter zu gestalten beziehungsweise neu zu schaffen. Als multifunktionale Komponente ist der ISF eine leichte, moderne und platzsparende Lösung.

Autor: Markus Sattel

Aufmacherbild: Röchling