Liftgate-Design stellt modifizierte Filamentwicklung auf die Probe

Fahrzeugheckklappen oder Heckklappentüren gehen seit Jahrzehnten langsam von Metallen zu Verbundwerkstoffen über. Obwohl erst 2013 die erste Vollkunststoff-/Verbundstoff-Heckklappe ohne Metallträger auf den Markt kam, verfügen die meisten Heckklappen heute noch über diese Trägerkomponente, an der Außenhaut und Innenverkleidung befestigt werden, insbesondere bei größeren, schwereren Sportwagen. Nutzfahrzeuge (SUVs) und Crossover-Utility-Fahrzeuge (CUVs) mit größeren Hecktüren.

Was jedoch durchaus die nächste Evolutionsstufe bei Heckklappen aus Verbundwerkstoff sein könnte, debütierte 2019 beim Toyota Supra Sportwagen der Toyota Motor Corp. (Toyota City, Japan). Ein filamentgewickelter Verbundrahmen ersetzt einen Metallrahmen und soll eine höhere Steifigkeit und Festigkeit bei geringerem Gewicht als herkömmliche Metallstrukturen bieten, mit größerer Designflexibilität, insbesondere bei beengten Platzverhältnissen. Berichten zufolge wurde das Filament Winding Verfahren so weit modifiziert, dass es mit wachsendem Interesse und zunehmenden Anwendungen die Geschwindigkeits- und Kostenziele der Fahrzeugserienfertigung erreichen kann. So sind Design und Technologie entstanden.

Trilaterale Fertigung

Magna International Inc. (Aurora, Ontario, Kanada) ist ein Tier-1-Integrator in Nordamerika, aber in Europa entwickelt und montiert seine Tochtergesellschaft Magna Steyr AG &Co. KG (Graz, Österreich) auch komplette Autos für OEMs, die eine zusätzliche Fertigung benötigen Kapazität.

Kürzlich nahm Magna an einem interessanten Programm der Automobilhersteller Toyota und der BMW AG (München, Deutschland) teil, die seit 2013 gemeinsam an Design- und Fertigungsprojekten arbeiten. Für seinen neuesten Versuch wollte Toyota seine Supra Typenschild und hatte sich mit BMW zusammengetan, um Design und Tuning für das Fahrzeug und ein Schwesterauto, den zweisitzigen Z4 von BMW, bereitzustellen . Die beiden Fahrzeuge teilen sich Motor, Fahrwerk und Lenkung. Magna Steyr würde beide Autos in Graz montieren und auch die Supra liefern mit Sitzen, Karosserieteilen, Türschlössern und Heckklappen. Obwohl es bei beiden Autos viele Innovationen gibt, ist die in die Supra integrierte Heckklappe Hier zeigt sich die Innovation bei der Konstruktion von Verbundwerkstoffen am deutlichsten.

Manchester von Böhmen

Jahre vor Magnas Beteiligung an der 2020 Modelljahr Supra, sein Betrieb in Liberec, Tschechien, erforschte Technologien für Verbund-Raumfachwerke für eine Reihe potenzieller Anwendungen. Wie es der Zufall will, hat die Gegend eine reiche Tradition als führendes Textilzentrum und war einst als „Manchester Böhmens“ bekannt. Das Team von Liberec suchte nach einer Technologiearchitektur, die hohe Lasten unterstützt, die Gesamtmasse reduziert, enge Maßtoleranzen einhält und in einem Prozess mit hoher Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit (R&R) hergestellt werden kann, um die Leistungs- und Fertigungsanforderungen europäischer Automobilhersteller zu erfüllen.

„Wir kamen zu dem Schluss, dass wir ein duroplastisches Produkt mit hoher Wärme- und Dimensionsstabilität benötigten“, erinnert sich Riad Chaaya, Global Product Line Director bei Magna – Heckklappen aus Verbundwerkstoffen. „Wir wussten auch, dass wir eine geschlossene Form mit der Fähigkeit zur Herstellung von Querschnitten mit unterschiedlichen Formen und Dicken brauchten – notwendig zur Optimierung der mechanischen Leistung, des Bauraums, der Masse und der Kosten – die in einem Prozess hergestellt werden konnte, der 150.000 Teile pro Jahr herstellen kann. Wir haben uns viele Technologien angesehen, darunter Blasformen, Flechten und Filamentwickeln, aber keine entsprach ganz unseren Anforderungen. Nach vielen Versuchen haben wir das Filamentwickeln als die beste Lösung für unsere Anforderungen ausgewählt, da wir die Ausrichtung und Anzahl der Filamente kontrollieren konnten, um den höchsten Modul bei niedrigstem Gewicht zu erzielen.“

Trotz vieler Vorteile gab es Bedenken, dass das Wickeln von Filamenten für die konventionelle Automobilproduktion zu langsam sein könnte. Darüber hinaus benötigte das Team eine Methode, um den Wickelprozess zu beginnen und zu beenden, um einen geschlossenen Rahmen zu erstellen. Glücklicherweise hatte das Team zwar keine Erfahrung mit Filamentwickeln, aber Liberecs Erbe der Textilherstellung bedeutete, dass die örtliche Gemeinde voller Experten für Rovings und das Wickeln von Filamenten war.

„Zu unserem Glück hatten diese Experten die Leidenschaft, ihr traditionelles Know-how wiederzubeleben, um es auf neue Weise anzuwenden, um den hochvolumigen Automobilbedarf zu decken“, fügt Dr.-Ing. Josef Půta, Technologieführer bei Magna Exteriors - Tschechien.

„Da das traditionelle Filamentwickeln für unsere Anforderungen zu langsam war, haben wir und unsere Partner viele Möglichkeiten gesucht, es schneller zu machen“, erinnert sich Lukáš Strouhal, Leiter der Industrialisierung bei Magna Liberec. „Wir haben überlegt, wie wir jeden Schritt des Prozesses beschleunigen und die Dinge ganz anders machen können. Wir können zwar nicht viel darüber sagen, wie Wir haben das getan, wir können sagen, dass wir enorme Geschwindigkeitsverbesserungen erreicht haben, sodass unser modifizierter Prozess ‚automobiltauglich‘ werden konnte.“

Magna und seine Partner untersuchten viele Harzsysteme, darunter Epoxid, Polyurethan (PUR) und eine PUR/Vinylester-Mischung sowie eine Vielzahl von Verstärkungen, von Glas über Kohlenstoff bis hin zu Basaltfasern. Das endgültige System verfügt über PUR- und Glasfasern, die die beste Balance zwischen Fasereffizienz, Leistung, Kosten und Produktionsgeschwindigkeit bieten.

Magnas generischer Filament-Wund-Space-Frame wird in drei Schritten hergestellt, die jeweils sorgfältig auf Geschwindigkeit optimiert wurden. Zunächst wird mittels Reaktionsspritzguss (RIM) ein steifer, zelliger PUR-Kern hergestellt; zweitens wird dieser Kern, der als Dorn dient, mit Glasfaser umwickelt; und drittens wird diese gewickelte Struktur dann mit PUR infundiert und im Hochdruck-Harz-Transfer-Molding-Verfahren (HP-RTM) verfestigt. Es wird darauf geachtet, dass der Kern während der Infusion/Konsolidierung nicht kollabiert. Půta erklärt, dass viel Arbeit in die Spezifizierung der verwendeten Rovings, Schlichten und Harze gesteckt wurde – was eine enge Zusammenarbeit mit den Lieferanten bei Materialmodifikationen erforderte – sowie in die Bestimmung der Anzahl der Windungen und der Ausrichtung der Filamente in jeder Lage. Es überrascht nicht, dass dem Unternehmen zahlreiche Patente erteilt wurden, die alles vom Design über die Kernproduktion bis hin zur Filamentwickelmaschine abdecken, sowie zusätzliche Geschäftsgeheimnisse, die es eng hält.

„Wir haben bei jedem Prozessschritt und Produkt mehrere Innovationen gemacht“, erklärt Strouhal. „Man könnte einen unserer Rahmen auseinanderreißen, die verwendeten Formen und Geometrien sehen und sich immer noch fragen, warum und wie wir das gemacht haben.“

Obwohl das Team von Magna Liberec seine Space-Frame-Technologie nicht für eine bestimmte Anwendung entwickelt hatte, erhielten sie eine interessante Gelegenheit, sie zu nutzen.

Herausfordernde Heckklappe

Magna hat eine lange Tradition in der Herstellung von Pkw-Heckklappen. Das Unternehmen baute angeblich die ersten All-Olefin-Heckklappen in Nordamerika und Europa für den 2013er BMW i3 Elektro-Stadtauto und konstruierte und baute eine All-Olefin-Heckklappe der nächsten Generation für den 2019er Jeep Cherokee von FCA NA LLC (Auburn Hills, Michigan, USA). SUVs. Angesichts der Tatsache, dass die Produktion der Heckklappe für die Supra Programm hat Magna nicht nur auf die in Liberec geleistete Arbeit zurückgegriffen, sondern auch auf seine langjährige Erfahrung bei der Umwandlung von metallischen Heckklappenstrukturen in Verbundwerkstoffe und Kunststoffe.

„Die Supra Die Heckklappe bot eine Reihe von unmittelbaren Herausforderungen“, erinnert sich Chaaya. „Erstens war der Bauraum sehr begrenzt, was bedeutete, dass die Toleranzen sehr eng waren und die Werte des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten sorgfältig verwaltet werden mussten, damit sich die Heckklappen ungehindert öffnen und schließen lassen. Zweitens war die Form dieser Tür noch schwieriger. Toyota wünschte sich nicht nur eine leichtere Heckklappe, sondern stellte auch ganz spezielle Styling-Anforderungen an das Heck des Fahrzeugs. Drittens wäre der Werkzeugbau, um diese Form in Metallen zu erreichen, bei dem prognostizierten Bauvolumen des Fahrzeugs sehr kostspielig. Tatsächlich kamen wir zu dem Schluss, dass der Heckklappenrahmen nicht aus einem einzigen Stück Metall hergestellt werden konnte und dennoch die Design- und Leistungsanforderungen von Toyota erfüllte. Das bedeutete, dass der Space Frame aus Verbundwerkstoffen und insbesondere aus duroplastischen Verbundwerkstoffen hergestellt werden musste.“

Die Außenhaut wäre eine lackierte, spritzgegossene Talkum-verstärkte TPO-Platte, um der aggressiven Form gerecht zu werden, während die Innenplatte aus Langglas-Polypropylen (PP) bestehen würde; beide würden mit einem strukturellen 2K-PUR-Kleber mit dem Rahmen verbunden. Chaaya fügt hinzu, dass viel Arbeit geleistet wurde, um den Gitterrohrrahmen zu optimieren und die Heckklappe zu vervollständigen, um die Torsionsbelastungsanforderungen zu erfüllen. Eine frühe Herausforderung bestand darin, einen Weg zu finden, Materialeigenschaften genau zu simulieren, um eine genaue Korrelation zwischen vorhergesagten und gemessenen Ergebnissen zu erreichen.

„Es war ein harter Kampf, eine gute Korrelation mit unseren Materialmodellen zu erreichen, da wir jede Wicklungslage simulieren und Form, Radien und die Wicklungsanforderungen selbst einbeziehen mussten“, fügt er hinzu. „Obwohl wir anfangs 20 % weniger hatten, waren unsere endgültigen Vorhersagen nach vielen Abstimmungen und der Suche nach dem besten Weg zur Verbesserung unserer Steifigkeit sehr nahe. Bei einem so großen Rahmen haben wir es auch geschafft, Maßtoleranzen von 1 Millimeter einzuhalten.“

Viele Vorteile

Der fertige Donut-Rahmen weist durchgehend variable Durchmesser und Wandstärken auf, hat aber einen Nenndurchmesser von 50-60 Millimetern. Abgesehen von einer kleinen Halterung in der Ecke und harten Befestigungen wie Riegeln und Scharnieren sowie einer Folie zum Erden der integrierten Antennen ist der gesamte Rahmen – der 104 x 111 Zentimeter groß ist – vollständig aus Verbundwerkstoff. Sogar „Ohr“-Halterungen, die verwendet werden, um die innere Verkleidung mit der unteren Hälfte der Heckklappe zu verbinden, sind aus Verbundwerkstoff und werden mittels HP-RTM hergestellt. Obwohl der Verbundrahmen 10 % leichter ist als ein vergleichbarer Metallrahmen, bedeutet der Massenabbaueffekt, dass die komplette Heckklappe ~ 20 – 25 % leichter ist als eine metallische Heckklappe. Leichtere Heckklappen erfordern weniger Kraftaufwand für den Verbraucher beim Öffnen/Schließen, sind für einen Arbeiter einfacher zu installieren während der Fahrzeugmontage, sparen Kraftstoff während der Fahrzeuglebensdauer und liefern das, was Strouhal als „ein erstaunlich solides Geräusch“ bezeichnet, wenn sich die Heckklappe schließt. Das Verbundsystem eliminiert auch Schritte wie das Säumen von Kanten und Schweißpunkte/Verbindungen, die bei Metall-Heckklappen erforderlich sind.

Chaaya deutet an, dass sein Unternehmen ein weiteres großes Automobilprojekt mit Filamentwicklung im Gange hat. Er sagt auch, dass Magna andere Anwendungen für die Technologie sieht, die über Heckklappen hinausgehen. „Türen, Kofferraumdeckel, Motorhauben, FEMs (Front-End-Module) und sogar autonome Fahrzeuge – wie ein Bus, der aus einem glasummantelten Rahmen besteht – einen solchen Raumrahmen gebrauchen könnte“, fügt er hinzu. „Und es müsste nicht einmal versteckt werden. Wenn wir Kohlefasergewebe verwenden würden, wäre es ein Zeichen von Prestige, diese schöne Oberfläche freizulegen und den Rahmen nicht darin zu verstecken.“