Skelettdesign ermöglicht wettbewerbsfähigere Komposit-Autostrukturen

Da Hersteller bestrebt sind, die Kosten von Verbundkomponenten zu senken, bemühen sich Designer darum, die Bestandteile so effizient wie möglich zu verwenden und gleichzeitig eine automatisierte Produktion und Integration mehrerer Funktionen zu ermöglichen. Bei Automobilanwendungen wird diese Herausforderung durch die Notwendigkeit von Zykluszeiten von nur 1-2 Minuten noch verschärft.

Overmolding – das Spritzgießen von thermoplastischen Verbundelementen auf Endlosfaser-Preforms – wird seit Jahren als mögliche Lösung verfolgt. So demonstrierte das CAMISMA-Projekt 2014 beispielsweise eine umspritzte Composite-Sitzlehne (siehe „CAMISMAs Autositzlehne:Hybrid-Verbundwerkstoff für hohes Volumen“). „Aber dieser Ansatz wurde auf die nächste Stufe gehoben und ermöglicht nun eine vollautomatisierte Produktion von thermoplastischen Composite-BIW-Strukturen“, erklärt Dr. Christoph Ebel, Leiter des Lightweight &Application Center der SGL Carbon (Wiesbaden, Deutschland). (LAC, Meitingen, Deutschland).

Dieser Fortschritt ist einem seit mehreren Jahren in der Entwicklung befindlichen „skelettartigen“ Designansatz zu verdanken. Als erster Im Projekt MAI Skelett im Jahr 2015 demonstriert, verwendet das Verfahren die Verwendung von unidirektionalen (UD) Kohlefaser Thermoplast Pultrusionen, die in einem zweistufigen 75-Sekunden-Prozess thermogeformt und umspritzt werden, um ein tragendes Dachelement zu produzieren, das alle Anforderungen der vorherigen Version übertrifft. Es integriert auch Clips für Befestigungen und ändert das Crashverhalten von sprödem zu duktilem Versagensmodus für eine erhöhte BIW-Restfestigkeit (siehe „Weitere Details zum MAI-Skelett-Bemessungsprozess“).

MAI-Skelett-Demonstrator

Das 17-monatige Projekt MAI Skelett wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und von MAI Carbon, einem Regionalbereich des Carbon Composites e.V., abgeschlossen. (Augsburg) Netzwerk. Im Fokus des Projekts unter der Leitung von BMW (München) stand die Realisierung eines konkreten Demonstrators:des Windschutzscheibenrahmens, der sich zwischen den beiden A-Säulen über der Glasscheibe befindet. Sein Design orientierte sich am aktuellen BMW i3 Struktur, einschließlich aller Funktions- und Platzanforderungen. Der Windschutzscheibenrahmen dient nicht nur als Querträger für das Dach, sondern erfüllt noch weitere Funktionen:Steifigkeit, die auch Noise, Vibration and Harshness (NVH) reduziert; Festigkeit (Dachpresstest) zur Erfüllung der Crash-Anforderungen; eine Halterung für Interieurkomponenten (z. B. Visier, Innenverkleidung, Kabelbaum für Beleuchtung usw.) sowie Halterung für Verbindungen mit der Windschutzscheibe, dem Schiebedach und der Außendachverkleidung.

Der Windschutzscheibenrahmen in Skelettbauweise bestand aus vier UD-faserverstärkten pultrudierten Stäben in den Ecken des Teils, die in einem umspritzten Rahmen gekapselt waren, um Torsionssteifigkeit und komplex geformte funktionale Befestigungen zu gewährleisten. Die pultrudierten Profile liegen nicht alle in einer Ebene, sondern sind auf unterschiedlichen Höhen angeordnet:Zwei befinden sich im unteren Bereich des 60 Millimeter hohen Teils, zwei im oberen Bereich.

Pultrusions als Teil der TP-Toolbox

Für den Windschutzscheibenrahmen MAI Skelett wurde ein quadratischer Querschnitt von 10 mal 10 Millimetern konstruktionstechnisch finalisiert. Ziel war es, kostengünstigere, schwere Kohlefasern zu verwenden. Die gewählte 50K-Tow-Faser hat jedoch eine dichte Packung aus unzähligen Filamenten, die die Harzimprägnierung erschwert . „Im Allgemeinen kann diese Herausforderung durch eine optimierte Faserführung und -spreitung gemeistert werden, um eine optimale Imprägnierung und einen hohen Faservolumenanteil von rund 50 Volumenprozent zu erreichen“, sagt Veronika Bühler, Produktmanagerin für Thermoplaste bei SGL. SGL beherrscht diese Technologie und bietet nun Pultrusionen als Teil seiner thermoplastischen Toolbox an. „Durch unsere thermoplastischen Tapes, die ebenfalls pultrusionsbasiert sind, hatten wir bereits ein breites Wissen über Halbzeuge. So konnten wir unsere aktuell eingesetzten Pultrusionstechnologien schnell auf eigene Profile umstellen.“ Der Prozess umfasst Qualitätsprüfungen für Faservolumen, Porosität und Maßhaltigkeit. „Letzteres ist aufgrund der Automatisierung und des Roboterhandlings sehr wichtig“, fährt sie fort. „Es kann beispielsweise keine Krümmung aufgrund von Eigenspannungen in den pultrudierten Profilen geben.“

Neben Pultrusionsverstärkungen wurden auch thermoplastische Harze im MAI-Skelett untersucht. Verschiedene Typen von Polyamid 6 (PA6 oder Nylon 6) wurden getestet, um die erforderliche Viskosität und Rheologie für eine optimierte Pultrusionsqualität und -geschwindigkeit zu bestimmen. SGL bot für das Projekt über seinen thermoplastischen Werkzeugkasten eine Reihe von Materialien an, die UD-Tapes, Organobleche, Schnittfasern für kurz- und langfaserverstärkte Compounds und jetzt UD-verstärkte Pultrusionen auf Basis von SIGRAFIL 50K-Carbonfasern mit geeigneter Schlichte für eine Matrix aus Polypropylen (PP) und Polyamiden, einschließlich PA6 oder in-situ PA6. „Es ist wichtig, Fasern, Schlichte und Matrix aufeinander abzustimmen, um eine optimale Leistung von Verbundstrukturen zu erreichen“, sagt Bühler.

Sie erklärt auch in-situ PA6:„Dabei setzt man Caprolactam-Monomere oder ein einzelnes Monomer mit einem Katalysator und einem Aktivator um, die dann beim Formen des Verbundteils polymerisieren [lange Polymerketten bilden].“ Mit anderen Worten, das Caprolactam polymerisiert in situ in ein Polyamid. Bühler weist darauf hin, dass Polyamide als Polymergruppe PA66 und PA12 sowie bestimmte Arten von PPA als zusätzliche Matrixauswahl umfassen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Herstellung des Windschutzscheibenrahmens ist die Thermoformbarkeit von thermoplastischen Halbzeugen während und nach dem Formen. Dies ermöglicht eine weitere Funktionalisierung der Form sowie ein Fusionsbonden beim Overmolding. Beides waren wichtige Faktoren beim Entwurf des MAI Skelett-Demonstrators.

Thermoformen und Umspritzen

Die Produktion des Windschutzscheibenrahmens MAI Skelett begann mit pultrudierten Profilen aus Kohlefaser/PA6. Diese mussten dann an die Bauteilform sowie die Lasteinleitung an verschiedenen Stellen angepasst werden. Die Wahl fiel dabei auf das Thermoformen, wobei vor allem darauf geachtet wurde, dass die hohe Festigkeit und Steifigkeit der Kohlefaser nur durch eine möglichst gerade Haltung erreicht werden kann. Dies wurde erreicht, indem die pultrudierten Stäbe in Richtung des Matrixflusses gestreckt und dann an den Enden der Stäbe abgeflacht und gebogen wurden (Abb. 1).

Im zweiten Prozessschritt wurden die tiefgezogenen pultrudierten Profile unter einer Infrarotheizung in weniger als 50 Sekunden auf Temperatur gebracht und anschließend mit einem eigens dafür entwickelten automatisierten Handlingsystem in eine Spritzgussform überführt. Alle Teile des Projekts wurden auf bestehenden Spritzgussmaschinen hergestellt. Auf und um die Profile wurde dann faserverstärktes Compound umspritzt. Sowohl im Werkzeug als auch im Prozess beim Umspritzen war Präzision gefragt, um die vier tiefgezogenen, pultrudierten Stäbe in Position zu halten.

Die Gesamtzykluszeit für den zweistufigen Prozess (Thermoformen und Umspritzen von vorgefertigten Pultrusionen) dauerte ungefähr 75 Sekunden. „Da die thermoplastische Matrix vor dem Umspritzen umgeschmolzen wird, können die vorgefertigten und tiefgezogenen Stäbe in sehr kurzen Taktzeiten umgeformt und zum Fertigteil verbunden werden“, erklärt Ebel. „Die Schmelzbarkeit von Thermoplasten ermöglicht grundsätzlich auch das Fügen mit sogar metallischen Bauteilen“, ergänzt Bühler und stellt fest, dass thermoplastische Thermoform- und Spritzgussverfahren eine hervorragende Reproduzierbarkeit und Prozesskontrolle bieten, die für die Großserienproduktion kritische Faktoren sind.

duktiles Versagen

PPA- und PA6-Profile mit kompatiblen Formmassen aus Glas- und Kohlefaser wurden evaluiert, um einen duktileren Versagensmodus für das Bauteil zu untersuchen. Obwohl ein duktilerer Versagensmodus die Last, die der Windschutzscheibenrahmen übertragen konnte, verringerte, verbesserte er die strukturelle Integrität des BIW als Ganzes.

Zu den Analysemethoden gehörten die Volumenmodellierung, die Bewehrungsmodellierung (Geometriemodellierung, bei der die Pultrusionen als Bewehrungsstahl zur Verstärkung der Umspritzung dienen) und die Modellierung unter Verwendung von Schalenelementen sowie verschiedene Kombinationen davon. Die Software umfasste den FE-Solver ABAQUS (Dassault Systèmes, Paris, Frankreich) und den Dakota-Parameter-Solver, entwickelt von Sandia National Laboratories (Albuquerque, N.M., USA). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, Michigan, USA) wurde zur Topologieoptimierung verwendet.

Obwohl BMW in seinem abschließenden Projektbericht keine bevorzugte Materialkombination spezifizierte, kam es zu dem Schluss, dass die abschließenden Simulations- und Testergebnisse zeigten, dass die Skelettkomponenten übertraf alle Anforderungen an das aktuelle kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffteil (CFK) mit Ausnahme der Torsionssteifigkeit, die nicht als wesentlicher Designfaktor für den Windschutzscheibenrahmen bestimmt wurde. Die Skelettbauweise übertraf sowohl das Lastniveau als auch die Energieaufnahme in Crash-Lastfällen gegenüber dem aktuellen CFK-Bauteil. Es gelang auch, einen duktileren Versagensmodus zu erreichen, der nicht nur das Crashverhalten von Verbundstrukturen, sondern auch das Verständnis dieses Crashverhaltens und seiner Beziehung zur BIW-Struktur als Ganzes weiter verbessert.

Zukünftige Anwendungen für das Skelettdesign

Im MAI-Skelett-Abschlussbericht stellte BMW fest, sechs weitere Fahrzeugkomponenten identifiziert zu haben, die von der deutlichen Reduzierung der Herstellungs-, Material- und Werkzeugkosten durch die Verwendung des Skelettdesign-Ansatzes profitieren könnten. SGL Carbon schlägt Anwendungen in Sitzstrukturen, Armaturenbrettern, Roboterarmen, Röntgenbänken und mehr sowohl in der Automobil- als auch in der Luft- und Raumfahrt vor.

Der Ansatz des Skelettdesigns wurde jedoch noch weiter entwickelt und erstreckte sich auf multiaxial belasteten Komponenten im Folgeprojekt MAI Multiskelett (durchgeführt von September 2015 bis Juni 2017). Dabei wurden Bereiche untersucht, in denen sich tragende Bauteile und pultrudierte Profile kreuzen, sowie Bereiche mit hoher Lasteinleitung, insbesondere bei großen Strukturbauteilen, bei denen sich mehrere Hauptlastpfade kreuzen. Wie im Vorgängerprojekt Skelett wurden Bauteilkonstruktionen und kosteneffiziente Serienfertigungslinien untersucht.

Ein Beispiel dafür, wie der Skelettbau bestehende Composite-Bauteile weiter optimieren kann, ist der 2017 von SGL und dem Automobiltechnik-Spezialisten Bertrandt (Ehningen, Deutschland) entwickelte Carbon Carrier Frontinterieur für ein Elektrofahrzeug (Bild 2). Integration aller wesentlichen Funktions- und Verkleidungskomponenten einer konventionellen Instrumententafel basierte der Carbon Carrier auf einem thermogeformten Organoblech als tragendes „Rückgrat“ zur Erhöhung der Steifigkeit. „Dieses Teil könnte in Zukunft durch eine Konstruktion mit umspritzten thermoplastischen Profilen ersetzt werden“, sagt Ebel. „Dadurch würden Schnitt-, Auflege- und Besäumarbeiten für das Organoblech entfallen. Auch der Querträger wäre obsolet, da wir ihn als pultrudierte Profile integrieren und umspritzen würden, um das Armaturenbrett-Design zu erreichen. Dieses umspritzte Teil würde auch mehr Platz und Flexibilität bieten, um die erforderlichen angebrachten Elemente sowie Schrauben und Clips zum Anbringen dieser Elemente oder Kabel usw. aufzunehmen.“

Ebel räumt ein, dass dies eine enorme Designänderung wäre, „aber es reduziert die Kosten und macht das gesamte Bauteil effizienter.“ Er weist darauf hin, dass es möglich ist, einen Prozess nahezu abfallfrei zu gestalten, da Profile exakt nach Bedarf zugeschnitten werden und keine Kohlefaserverstärkung bei diesen Schritten oder beim Thermoformen vor dem Umspritzen verloren geht. Bühler weist darauf hin, dass Sitze auch erstklassige Kandidaten für das Skelettdesign sind. „Bei Verbundwerkstoffen werden sie typischerweise aus Stoffen oder Bändern hergestellt und sind immer noch flächige Strukturen. Aber wir könnten die Dicke im ebenen Bereich verringern, indem wir unten Profile integrieren und die Steifigkeit erhöhen.“ Sie weist darauf hin, dass pultrudierte Profile nicht das einzige effiziente UD-Produkt sind, um das herum gebaut werden kann. „Es könnte auch ein Band sein, das sich leicht an die Lastpfade für jedes Teil anpassen lässt.“

„Wir bereisen viele Unternehmen im Lightweight &Application Center“, sagt Ebel. „Das Skelettdesign als zusätzliches innovatives Konzept hat großes Interesse geweckt und wird von unseren Besuchern als sehr vielversprechend angesehen.“ Er erklärt, dass das Zentrum seine Designkompetenzen ausgebaut hat und Unternehmen helfen kann, innovative Ideen wie das Skelettkonzept zu integrieren, um einen neuen Gestaltungsraum für zukünftige materialeffiziente Komponenten zu eröffnen.

„Es gibt viele Anwendungen, bei denen wir ähnliche Designs wie den Windschutzscheibenrahmen verwenden können“, sagt Bühler. „Für die Industrie ist es wichtig, vom quasi-isotropen Layup wegzukommen, das einen Großteil der Festigkeit und Steifigkeit von Kohlefasern auf dem Tisch lässt. Stattdessen müssen wir effizientere Materialformen nutzen und jedes Material nur dort platzieren, wo es benötigt wird. Das braucht die Branche für die Zukunft.“