Bertrandt_Carbon Carrier_Materialmix

Träger der I-Tafel neu gedacht

Leichtbau

Carbon Carrier kombiniert Faserverbund-Leichtbau und Funktionsintegration. Er ist ein Beispiel für den modernen Materialmix im Automobil.

Im Bereich der Karosserieentwicklung werden bevorzugt hoch- und höchstfeste Stähle, je nach OEM auch zunehmend Aluminium- und Magnesiumlegierungen als Guss-, Profil- oder Blechbauteile verwendet. Faserverstärkte Kunststoffe werden hier, verglichen mit Stahl und Aluminium, eher mit geringerem Volumen genutzt. Ausnahmen dazu sind zum Beispiel Produkte bekannter OEMs mit großflächigem Einsatz von carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) oder das reine Sportwagensegment. Im Interieur werden zum größten Teil kurzfaserverstärkte Kunststoffe verarbeitet.

Carbon Carrier als Technologieträger für neue Strukturen bei der Instrumententafel

Bei faserverstärkten Werkstoffverbunden wie CFK sind die Eigenschaften und auch die Kosten des Bauteils stark abhängig von der Verarbeitung und der Zusammensetzung des Verbunds, zum Beispiel ob duro- oder thermoplastische Kunststoffe als Matrix verwendet werden oder in welcher Länge, Ausrichtung, Lagenanzahl, Halbzeugart oder welchem Volumenanteil die gewählten Fasern vorliegen.

Bertrandt_Michael_HageMichael Hage, Bereichsleiter Karosserieentwicklung/CAE bei Bertrandt
Foto: Bertrandt

Um hier die Kompetenz von Bertrandt besonders in neuen Fahrzeugstrukturprojekten zu erweitern, wurde ein bilaterales Technologieprojekt gemeinsam mit SGL aufgesetzt – einem Unternehmen aus dem Bereich Verbundwerkstoffe und Faserproduktion. Ziel war es, die Fahrzeugentwicklungs-Expertise von Bertrandt mit der Werkstoff- und Technologiekompetenz der SGL Group zu verbinden und einen Technologieträger aufzubauen.
Eine wichtige Baugruppe in der Karosserie­struktur ist der Träger der Instrumententafel, der als eines von drei Strukturbauteilen mit der Karosserie verschraubt wird und sich als Montageteil für den Einstieg in den Automobilbau mit sinnvollem Materialmix eignet.

Auf diese Weise lassen sich neue Materialien in das Fahrzeug bringen und gleichzeitig große Teile der bereits bestehenden Fertigungsstraßen ohne große Änderungen weiterverwenden. Dabei gewonnene Erkenntnisse lassen sich im Nachgang auch auf andere Bereiche des Fahrzeugs übertragen. Das Gesamtsystem eines kohlefaserintensiven Instrumententafelträgers stellt ein neues Konzept für die Integration mehrerer Funktionen dar. Der Träger soll die Funktionen der heutigen Hauptkomponenten Instrumententafel, Instrumententafelträger und Mittelkonsole übernehmen. Einzigartig ist dabei die Integration eines steifigkeitsrelevanten Tunnellastpfads in das Gesamtkonzept „Carbon Carrier“.

Für jedes Bauteil die optimale Konfiguration aus Matrix und Faser

In der Startphase des Projekts wurde auf Basis eines Bertrandt-internen, OEM-neutralen Karosserieent­wurfs ein funktionales Packagemodell für den vorderen Fahrzeuginnenraum eines Cabriolets beziehungsweise Coupés entwickelt. Es beinhaltet alle wichtigen Funktions- und Verkleidungsteile einer klassischen Instrumententafel, erweitert um eine neu entwickelte, emotionale Designsprache. So sollen für den Fahrer zentrale Lastpfade sichtbar und CFK-Elemente erlebbar gemacht werden – unter gleichzeitigem Verzicht auf rein dekorative Sichtcarbonapplikationen. Aufgrund der langjährigen Bertrandt-Erfahrung in der Automobilentwicklung konnten dabei die relevanten Funktionsteile herstellerunabhängig identifiziert und integriert werden.

„Die Integration eines steifigkeitsrelevanten Tunnellastpfads ist einzigartig.“, Miachel Hage.

Auf Grundlage dieses ersten Packagemodells wurde mit der Definition der Haupttragstrukturen begonnen. In enger Abstimmung zwischen Konstruktions-, Berechnungs- und Technologieexperten wurde aus einer großen Fülle von Skizzen in kürzester Zeit ein optimiertes 3D-Konzept entwickelt. Parallel wurden Designskizzen erstellt und zusammen mit dem Packagemodell ein neuer Strak für diesen Interieurbereich erarbeitet. Durch die Gestaltung der Strukturteile wurde dem Interieur ein freier, leichter und schwebender Eindruck verliehen, wobei scharfe Kurven und neue Detaillösungen dem Charakter eines sportlichen Elektrofahrzeugs Rechnung tragen.

Mit diesem Strak als engerem Designrahmen wurden die Struktur- und Funktionskomponenten weiterentwickelt. Dabei war die größte Herausforderung, für jedes komplexe FVK-Bauteil eine Konfiguration aus Matrix- und Faserwerkstoff, Faserlänge, -anteil und -orientierung, Lagenaufbau und Technologie zu finden, die einen optimalen Kompromiss zwischen den verschiedenen Anforderungen und Randbedingungen darstellt. Hinzu kommen baugruppeninterne und -externe Anbindungs- und Fügetechniken sowie Fertigungs- und Montagerandbedingungen, die mit Rücksicht auf Sichtbarkeit, Belastung, Material­auswahl und Fügefolge definiert werden mussten.

Umfangreiches Lastenheft

Die Definition des Laminataufbaus erfolgte auf Basis eines umfangreichen Lastenhefts, das die Forderungen aus der Gesetzgebung und dem Verbraucherschutz zusammenfasst. Neben Misuse-Lastfällen und Schwingungsverhalten sind vor allem die aus den Crashlastfällen kommenden Kräfte für die tragenden Strukturkomponenten des Carbon Carriers dimensionierend. Mit dem Ziel einer gewichtsoptimierten und fertigungsgerechten Struktur wurden der Laminataufbau definiert und die Rippenbilder optimiert.

Das Catia V5-Modul Composite Part Design (CPD), das bei Bertrandt für die Konstruktion von FVK-Bauteilen genutzt wird, ermöglichte die Umsetzung des Laminats im CAD-Modell. Neben der detaillierten Konstruktion von Übergängen zwischen verschiedenen Bereichen stellt das Tool eine klare und effektive Kommunikation zur Fertigung sicher.

Der weitere Entwicklungsprozess zur Detaillierung erforderte eine enge Abstimmung zwischen Berechnung, Konstruktion und Fertigung. Durch eine von Bertrandt entwickelte Schnittstelle, die eine direkte Übertragung der CPD-Daten in das Finite-Elemente-Modell ermöglicht, konnte hier wertvolle Zeit gespart werden.

Integration eines steifigkeitsrelevanten Tunnellastpfads in das Gesamtkonzept des Carbon Carriers. Foto: Bertrandt
Integration eines steifigkeitsrelevanten Tunnellastpfads in das Gesamtkonzept des Carbon Carriers.
Foto: Bertrandt

FVK erfordern in dynamischen Berechnungstools eine deutlich komplexere und vielschichtigere Definition als klassische Werkstoffe. Diese Material­definitionen hängen stark von der Verarbeitung und den verwendeten Rohstoffen ab und sind damit nicht ohne Weiteres von einem Rohstoff- oder Halbzeughersteller auf den anderen übertragbar. Daher wurde in der Simulation zum Teil auf bereits bei SGL vorhandene Materialkarten zurückgegriffen. Es wurden aber auch Hardwaretests an definierten Proben durchgeführt, um die Analyseparameter zu kalibrieren.

Bei der Entwicklung des Carbon Carriers wurde darauf geachtet, dass die eingesetzten Bauteile, Technologien und Montagekonzepte bereits heute oder in naher Zukunft großserienfähig sind. Dennoch wurden auch aktuelle Ergebnisse aus Forschung und Vorentwicklung bei SGL, Bertrandt und weiteren Forschungsinstituten einbezogen. Ein Beispiel sind die Elemente zur Blechverbindung zwischen FVK und Metall, wie sie derzeit an den Universitäten Braunschweig und Magdeburg untersucht werden.

In Fahrzeugkonzepte überführen

Als neu entwickeltes, integriertes Konzept für Innenraumstrukturen kann der Carbon Carrier mit Großserien-OEMs und Produzenten von Nischenfahrzeugen diskutiert und in deren Fahrzeugkonzepte überführt werden. Bertrandt und SGL stellen mit dieser Projektarbeit die Möglichkeit vor, das Know-how beider Häuser für die Entwicklung und Produktion zusammenzuführen, um optimierte und fasergerechtere Bauteile und Gesamtsysteme entwickeln zu können.

Autor: Michael Hage

Aufmacherbild: Bertrandt