Thermoplastische Faserverbundwerkstoffe treffen auf Stahlbleche

Verbundwerkstoffe auf Basis von Carbonfasern werden zunehmend mit herkömmlichen Materialien wie Aluminium oder Stahl kombiniert. Dadurch lassen sich unterschiedliche Ziele wie niedriges Gewicht, hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit sowie geringe Kosten besonders gut erreichen. Im Forschungsprojekt MAI CC4.0 „HybCar - Technologien zur effizienten Herstellung von hybriden CFK/Metall-Strukturbauteilen im Automobilbereich“ arbeitet die SGL Carbon mit Partnern an neuen Hybridlösungen für die Automobilindustrie, die sich unter anderem für den Einsatz im Unterboden von Elektrofahrzeugen anbieten könnten.

Effiziente Herstellung von hybriden CFK/Metall-Strukturbauteilen im Automobilbereich

Erfolgsfaktor für einen innovativen und gleichzeitig wirtschaftlichen Leichtbau von Karosseriebauteilen ist ein ganzheitlicher und besonders zielgerichteter Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen. Entscheidend ist aber auch das Zusammenspiel mit konventionellen Materialien wie Aluminium oder Stahl. Dies kann unter anderem durch hybride Mischbauweisen erzielt werden. Zum Ausbau der Kompetenzen im Bereich des CFK/Metall-Hybrid-Leichtbaus wurde das Projekt MAI CC4.0 „HybCar“ ins Leben gerufen, mit dem die Kompetenzen auf dem Gebiet des hybriden Leichtbaus entlang der gesamten Wertschöpfungskette ausgebaut werden sollen.

Carbonfaserverstärkte Thermoplaste – innovative Verbundwerkstoffe für den Leichtbau

Im Rahmen des HybCar-Projektes werden auf Carbonfasern basierende unidirektionale (UD)-Tapes mit einer Polyamid 6 Matrix im Fiber-Placement-Verfahren lastpfadgerecht auf metallischen Substraten abgelegt. Der Mix aus kohlenstofffaserverstärkten Thermoplasten und Metallblechen ermöglicht die Herstellung von Leichtbauteilen unter Berücksichtigung eines besonders ressourcenschonenden Materialeinsatzes. Entwickelt wurde ein X-förmiger Technologiedemonstrator als Teil eines Unterbodens für Elektrofahrzeuge, der alle technologischen Herausforderungen dieser spezifischen Hybrid-Anwendung umfasst.

Neben dem Einsatz von unidirektionalen Tapes können auch pultrudierte Thermoplast-Flachprofile zur lokalen Verstärkung verwendet werden. Dadurch können die Ablageeffizienz erhöht und damit die Wirtschaftlichkeit der Anwendung verbessert werden. 
 

Innovative Hybridbauweise mit thermoplastischen Faserverbundmaterialien

Mit unserem thermoplastischen Materialbaukasten bieten wir ein ergänzendes Portfolio an Verbundwerkstofflösungen, die die Leistung des Endproduktes verbessert und damit zu einer smarteren Welt beitragen. 

Zu unseren thermoplastischen Faserverbundmaterialien

Resultate des Forschungsprojekts "HybCar"

Die sehr lokale Verstärkung mit Faserverbundwerkstoffen ermöglicht eine Reduktion der Stahlblechdicke von 2,5 mm auf 0,7 mm und eine konstruktive Verringerung der Bauhöhe im gesamten Fahrzeugboden. Dieser Platzgewinn kann sowohl zu weiteren Vorteilen in der Aerodynamik, beim Verbrauch oder in Sachen Komfort/Innenraumgröße genutzt werden. Zudem kann die Bodengruppe durch die Flexibilität in der Dicke des Faserverbund-Einlegers bedarfsgerecht gestaltet bzw. skaliert werden.

Infolgedessen können die Unterböden durch das zielgenaue Einbringen der lastspezifischen Verstärkungsstrukturen sowohl für kleine Batterien wie auch für Fahrzeugmodelle mit großen Batterien verwendet werden. Dabei kann mittels smarter Werkzeugeinsätze modellübergreifend mit dem gleichen Umformwerkzeug und dem gleichen Produktionsaufbau die entsprechenden Bodengruppen gefertigt werden. Das spart nicht nur Zeit, sondern auch Werkzeug- und Umrüstkosten.

Durch die flache Gestaltung der Trägerstruktur konnten im vorderen Fußbereich über 18 Millimeter Höhe hinzugewonnen werden. Weiterhin wurde das Gewicht um mehr als 10 Kilogramm reduziert, was eine Gewichtsersparnis von etwa 40 Prozent darstellt. Durch einen vollautomatisierten Fertigungsprozess konnte die Zykluszeit für die Herstellung auf unter 90 Sekunden gebracht werden.

Die Resultate im Überblick

Höhengewinn
über
18
18
Millimeter Höhe konnten im vorderen Fußbereich hinzugewonnen werden
Gewichtsreduktion
mehr als
10
10
Kilogramm
Prozentuale Gewichtsersparnis
41
41
Prozent
Zykluszeit für die Herstellung
unter
90
90
Sekunden

„CFK/Metall-Hybridstrukturen bieten eine gute Möglichkeit, die Vorteile beider Werkstoffklassen zu kombinieren. Im HybCar-Projekt entwickeln wir ein skalierbares Bauteilkonzept mit einem effizienten Materialeinsatz in Verbindung mit einem vollautomatisierten Fertigungsprozess.“, erklärt Michael Kropka, Product Developer Thermoplastics bei der SGL Carbon.

Vorangetrieben wird das vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie geförderte HybCar-Projekt von einem Konsortium aus der EDAG Engineering GmbH (EDAG), dem Unternehmen Automation W+R, dem Institut für Materials Resource Management der Universität Augsburg (MRM), der Fraunhofer-Einrichtung für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV) sowie der SGL Carbon. Gefertigt wird das Demonstrator-Bauteil bei der SGL Carbon in Meitingen. Der Herstellung des Prototyps geht eine digitale Produktentwicklung voraus, die ebenfalls im Rahmen des Projektes entwickelt wird.

Herstellungsprozess des Demonstratorbauteils im Video

Der vorkonsolidierte UD-Tape Aufbau wird gemeinsam mit der Stahlkomponente in einem Infrarot-Ofen über die Schmelztemperatur des Polymers erwärmt. Im nächsten Schritt wird neben der 3D-Umformung auf Basis eines adäquaten Haftvermittlers eine stoffschlüssige, belastbare Fügeverbindung zwischen den beiden Komponenten hergestellt.

Kontakt

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Profilbild von Michael Kropka, Produktentwicklung Thermoplastische Verbundwerkstoffe
Michael Kropka
Product Developer Thermoplastics

Telefon: +49 8271 83-1255
E-Mail: