Leichtbauweise - aktuelle Herausforderungen und

Leichtbauweise – aktuelle Herausforderungen
und Lösungsansätze
Leichtbauworkshop 2013
23. Januar 2013
Hochschulcampus Tuttlingen
Dr.-Ing. Jan Kuppinger
Prof. Dr.-Ing. Frank Henning
Gliederung
 Einleitung
 Großserienfähige Herstellung für thermoplastische Faserverbundstrukturen
 Herausforderungen und Lösungsansätze
 Großserienfähige Herstellung für duromere Faserverbundstrukturen
 Herausforderungen und Lösungsansätze
 Diskussion
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Einleitung
Motivation für Leichtbau
 Gewichtszunahme in typischen Mitteklassenfahrzeugen seit 1970
 Implementierung von EU-Abgasverordnungen
Gewicht
[kg]
1400
+ 100 to 300 kg
Alternative
Antriebskonzepte:
E-Mobilität,
Hybridiesierung
1200
1000
+ 400 kg
+50 %
800
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
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 Gewichtsreduzierung führt zu
Verbrauchsreduzierung sowie
zur Reichweiten-erhöhung in
der E-Mobilität
 Verbesserung der aktiven und
passiven Sicherheit
 Erhöhung der Nutzlast bei
Schienen- und Nutzfahrzeugen
 Leichtbau erfordert großserienfähige, robuste
Produktionsverfahren für
Faserverbundbauteile
Einleitung
 Leichtbau ermöglicht höhere Taktzeiten
und führt zur Reduzierung der Zykluszeit
 Leichtbau führt zu Energieeinsparung bei
hochdynamischen Maschinenteilen
 Leichtbau ist von übergeordneter
strategischer Bedeutung für den
Maschinen- und Anlagenbau
 Leichtbau erfordert flexible
Fertigungsverfahren, hohes Verständnis
über Material-eigenschaften und
grundlegendes know-how im Bereich
der Grenzflächen
Quelle: Leichtbauzentrum BW
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Einleitung
Interdisziplinärer, gesamtheitlicher Ansatz
 Gesamtheitliche Betrachtung von Materialien, Produktionsprozessen und Methoden
führt zur Steigerung der Systemeffizienz
 Gesamtheitliche Betrachtung der Systemeffizienz im Spannungsdreieck Zeit
(Zykluszeit), Kosten (Gesamtbauteilkosten) und Qualität (Reproduzierbarkeit)
Methoden
Zeit
Systemeffizienz
Systemeffizienz
Produktion
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Materialien
Kosten
Qualität
Gliederung
 Einleitung
 Großserienfähige Herstellung für thermoplastische Faserverbundstrukturen
 Herausforderungen und Lösungsansätze
 Großserienfähige Herstellung für duromere Faserverbundstrukturen
 Herausforderungen und Lösungsansätze
 Diskussion
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Faserverbundtechnologien am Fraunhofer ICT
METHODEN – PRODUKTION – MATERIALIEN
Langfaserverstärkte
Thermoplaste (D-LFT)
Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe (RTM)
Langfaserverstärkte
Duroplaste (SMC + PUR)
Faserverbundtechnologien
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CAx Methoden für Prozessund Struktursimulation
Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT)
Verstärkungsfasern
 Glasfasern
 Naturfasern (Hanf, Flachs, etc.)
 Kohlenstofffasern
 Synthetische Fasern
z.B. Rayon, Polyester etc.
Compounder
Matrixsystem:
 Polypropylen
 PA 6, PA 6.6 etc.
 PET, PPS
 ABS, SAN etc.
 PC
 Blends
Mischextruder
Presse
LFT Plastifikat
Fliesspressen
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Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) - Anwendungen
Reserveradträger
LFT-D Komponenten
Bumper beam carrier
Sitzschalen
Kofferraum
-träger
Unterbodenverkleidung
Frontendträger
Reserveradabdeckung
Insturumententafelträger
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Batteriekasten
Technologiedemonstrator– Unterbodenfahrschutz für
Off-road Fahrzeuge
Herstellung und Auslegung eines “tailored” Unterbodenfahrschutz
D-LFT
„Tailored“ lokale Tragstruktur
Pressenzylus 30 sec
(Werkzeugtemp. ≈ 45°C)
Flächige Tragstruktur
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Modifizierter
Unterbodenfahrschutz
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Herausforderung: Kombination von endlos und
langfaserverstärkten Faserverbundstrukturen
Vorteile der Kombination
 Halbzeuge haben eine Faservolumengehalt von bis zu
60-70 %
 Sehr gute gewichtsbezogene Materialeigenschaften
 An Lastfälle angepasstes Bauteildesign
 Erhöhte Bauteilstabilität
 Steigerung der Warmformbeständigkeit
 Reduzierte Kriecheigenschaften (wenn Belastungen in
die Endlosfasern eingeleitet werden)
 Bauteilgeometrie über Langfasern, Bauteilperformance
über Endlosfaserstrukturen
  Thermoplastische Bauteile in strukturelle
Anwendungen
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Source: Fiberforge
Großserienfähige Prozessentwicklung
UD Stränge
Spritzgießen (LFT-D / LFT-G)
Quelle: FiberForge
Wickelstrukturen
UD Tapes
Bild: Victrex
Lokale
Endlosfaserstrukturen
HybridBauteil
Fließpressen (LFT-D)
Gelege
Gewebe
Großserientaugliche
Technologien für LFT
Metallinserts
Quelle: Audi
Bild: Bond Laminates
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Bild: Lanxess
Kombination von endlos und langfaserverstärkten
Faserverbundstrukturen
Herausforderungen
 Technologische Herausforderungen
 Halbzeuge (Organobleche, Laminate, Tapes) in
Bauteilgeometrie drapieren

Beschränkungen der Halbzeuge liegen in der Drapierbarkeit und geschränkten Fließfähigkeit. Dies resultiert in
Restriktionen in der Designfreiheit

Gezieltes Einbringen von Endlosfasern entlang von
Lastpfaden in komplexe Bauteilgeometrien
 Automatisierung
 Wirtschaftliche Herausforderungen
 Erreichung der Zielkosten vor dem Hintergrund einer
Anwendung in Großserie
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Gliederung
 Einleitung
 Großserienfähige Herstellung für thermoplastische Faserverbundstrukturen
 Herausforderungen und Lösungsansätze
 Großserienfähige Herstellung für duromere Faserverbundstrukturen
 Herausforderungen und Lösungsansätze
 Diskussion
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Sheet Molding Compound (SMC)
Anwendungen aus SMC
 Bauteile in der Fahrzeug- und Bauindustrie sowie für die Infrastruktur
 Hochfeste SMC-Bauteile
Rotornabe
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Solarpanele
Sitzschalen
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Schaufeln für Wasserrad
SMC – Vom Rohstoff zum Bauteil
 S heet Moulding Compound (S MC) ist ein flächiges Halbzeug aus
vernetzungsfähigen Harzen, Glas fas ern, mineralischen Fülls toffen und
Additiv en.
filler
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Halbzeug
Herstellung
Reifeprozess
HarzFüllstoffgemisch
Herstellung
ggf. Transport
 Die Herstellung von Bauteilen aus SMC erfolgt in drei zeitlich und
räumlich trennbaren Vorgängen:
Bauteil
Herstellung
SMC – Prozess
Schneidwerk
Verstärkungsfasern
Rakelkasten
Rakelkasten
Trägerfolie
Trägerfolie
Harzfüllstoffgemisch
Verdichterrollen
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Direkt-SMC – Prozess
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Direkt-SMC – Vorteile
 Verkürzung der Reifezeit
 Wegfall der Transport- und Lagerkosten
 vom Rohstoff zum fertigen Bauteil in 30 Minuten
 Rezepturänderungen innerhalb weniger Minuten möglich
 Validierung neuer Harzsysteme
 Lückenlos rückverfolgbare Prozessdatenüberwachung
 Vermeidung des Randbeschnittes
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Gliederung
 Einleitung
 Großserienfähige Herstellung für thermoplastische Faserverbundstrukturen
 Herausforderungen und Lösungsansätze
 Großserienfähige Herstellung für duromere Faserverbundstrukturen
 Herausforderungen und Lösungsansätze
 Diskussion
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Dr.-Ing. Jan Kuppinger
Tel.: +49 721 46 40 448
E-Mail: jan.kuppinger@ict.fraunhofer.de
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