Fahrzeugsitze revolutioniert: 3D-Filament-Winding-Technologie für ultraleichte Hybrid-Sitze

Nachhaltigkeit und Umweltverantwortung werden zu immer stärkeren Treibern von Technologietrends in der Automobilindustrie. Niedrigenergie- und Niedrigemissionsfahrzeuge sind Priorität für den internationalen Automobilsektor, und Trends zu alternativen Transporttechnologien wie Elektromobilität und Urban Air Mobility (UAM) gewinnen an Dynamik. OEMs suchen nach neuen Materialien und Prozessen als Enabler für diese zukünftigen Mobilitätsformen, aber Veränderungen im Automobilsektor verlaufen oft schleppend. Damit neue Materialien und Prozesse vollständig adoptiert werden, müssen sie nicht nur qualifiziert, sondern auch kosteneffizient und hochvolumenfertigungsfähig sein.

Ultraleichter Sitz in sieben Monaten vom Design zur Fertigung

Kürzlich demonstrierte ein innovatives Projekt mit Potenzial für den Automobilsektor – sowie aufstrebende Märkte wie Hypercars und Lufttaxis –, wie neue Materialien, Prozesse, Technologien und enge Zusammenarbeit zwischen Unternehmen die nächsten Mobilitätsgenerationen ermöglichen könnten. Ziel war, einen Autositz mit modernsten generativen Technologien komplett neu zu denken und dabei nur so viel vom richtigen Material am richtigen Ort einzusetzen – und schnell Ergebnisse zu liefern. Der resultierende ultraleichte, metall-composite-hybride Fahrzeugsitz-Prototyp wurde in nur sieben Monaten vom Design bis zur Fertigung entwickelt, durch einen simulationsgetriebenen Designansatz, agile Projektmanagement-Methoden und enge Kooperation sowie Systemintegration zwischen den beteiligten Unternehmen.

Einen besseren Sitz bauen

Der Ultraleichtbausitz (ULBS) wurde durch Zusammenarbeit mehrerer Unternehmen mit einer Kombination von Technologien entwickelt. Die Projektvision war, in den Worten der Gruppe, „ein ultraleichtes Sitzkonzept zu schaffen, das in puncto Gewichtsoptimierung am Markt herausragend ist“. Initiierende Unternehmen csi entwicklungstechnik GmbH (csi, Neckarsulm, Deutschland), Alba Tooling & Engineering (Forstau, Österreich) und Automotive Management Consulting (AMC, Penzberg, Deutschland) entwickelten den Prototyp in Zusammenarbeit mit Covestro (Leverkusen, Deutschland), LBK Fertigung (Friedberg, Deutschland), Robert Hofmann (Lichtenfels, Deutschland) und 3D|CORE (Herford, Deutschland).

Das kollaborative Projekt resultierte in einem Sitzprototyp mit einem Gewicht von knapp über 10 kg, einschließlich Polster, Strukturrahmen, Funktionseinsätzen und der Sitzkonsole zur Fahrzeugmontage. Der Sitz ist 20 % leichter als vergleichbare Leichtbausitze am Markt, von denen viele Aftermarket-Sitze sind. Laut ULBS-Projektleiter Stefan Herrmann, verantwortlich für Leichtbau bei CSI, gibt es derzeit keine konkurrierenden Sitze unter 12 kg.

„Ein direkter Vergleich ist oft nicht äpfel-zu-äpfel, da Aftermarket-Sitze die Sitzkonsole oft nicht in der Gewichtsdefinition enthalten“, sagt Herrmann. „Auch der Sitzkomfort des ULBS ist deutlich höher als bei Sitzen mit ähnlichem Gewicht. Bestehende Sitze sind oft Schalensitze, die noch leichter sind, aber nicht so komfortabel, oder traditionelle Supersportsitze mit viel höherem Gewicht.“

Der ULBS weist mehrere innovative Technologien auf, wobei die Faserroving-Skelettstruktur basierend auf Prozesstechnologie xFK in 3D die prominenteste Rolle spielt. (Siehe „Filamentwickeln neu erfunden“ für mehr zu xFK in 3D und anderen Filamentwickeltechnologien.) Die fundamentale Bedeutung der preisgekrönten Technologie für endlose Faserroving-Ablage liegt in ihrer Designfreiheit, der simulationsgetriebenen und materialoptimierten Faserplatzierung exakt in Lastrichtung sowie der einfachen, kosteneffizienten und abfallfreien Applikation des Fasermaterials. Für die Lastübertragung in diesem Gerüst wurden 3D-gedruckte Teile verwendet. In Bereichen mit höchsten Lasten, wie den Rückenlehnenbefestigungen, nutzt der Sitz 3D-gedruckte Strukturen aus hochfestem, hochsteifem Edelstahl. In geringer belasteten Bereichen kommt Aluminium-3D-Druck zum Einsatz.

csi entwicklungstechnik, ein auf Fahrzeug-Rohbau (BIW)-Strukturen sowie Automobil-Innen- und -Außenbereiche spezialisiertes Ingenieurbüro mit Geschäftsbereichen einschließlich CFRP und additiver Fertigung, überwachte und koordinierte das Projekt basierend auf der von AMC initiierten Idee. csi lieferte Styling, Surfacing, Konzept, Simulation, Design Engineering und Projektmanagement.

„csi war verantwortlich für die Arbeitspakete im Bereich der digitalen Prozesskette – Styling, Engineering Design, Surfacing Design, CAE-Simulation, Topologie-Simulation, Validierungssimulation und virtuelle Bestätigung des Projekts“, erklärt Herrmann.

Er betont, dass das ULBS-Projekt nicht nur durch innovative Materialien und Fertigungsmethoden bemerkenswert ist, sondern durch die Entwicklung eines komplexen Bauteils mit neuen Komponentendesigns in kurzer siebenmonatiger Zeitspanne durch enge Partnerzusammenarbeit.

Einen Rahmen wickeln

Ein Großteil der Gewichtsreduktion im ULBS-Projekt resultiert aus AMCs xFK in 3D, einer hochflexiblen, konfigurierbaren, kosteneffizienten und nachhaltigen Fasercomposite-Technologie für das Wickeln von Komponenten.

xFK in 3D wurde bereits für diverse Produkte und Anwendungen in verschiedenen Branchen und Marktsegmenten eingesetzt. SGL Group (Wiesbaden, Deutschland) zeigte auf der JEC World 2018 mehrere Automobil- und Fahrradteile, die mit dieser Technologie gefertigt wurden. Eines der gezeigten Teile, ein von AMC entwickelter Kohlefaser-Fahrradkettenring, soll das Gewicht um bis zu 70 % gegenüber einer Aluminiumversion reduzieren.

Der xFK in 3D-Prozess wickelt lasttragende Strukturen abfallfrei mit epoxidharzimprägnierten Endlosfasern. Ein mit Epoxidharz gesättigter Faserroving wird um eine Positioniervorrichtung oder Wickelbüchsen gewickelt, wodurch Fasern spezifisch an die Lasten und gewünschten Funktionen jedes Teils angepasst werden können.

„Ein Hauptvorteil von xFK in 3D ist die Beseitigung von Schwachstellen bei Lasteinleitung und Lastübertragung in Strukturen“, sagt Herrmann. Er erklärt, dass Schwachstellen oft nicht im Kontinuum der Struktur liegen, sondern in den Bereichen, wo Lasten in die Struktur eingebracht werden, besonders wo benachbarte Komponenten mit der Struktur verbunden sind. Die xFK in 3D-Technologie ermöglicht Lastübertragungen über Verbindungen und erlaubt Faserausrichtung gemäß gewünschter Komponentenfunktionen und Lastfälle in drei Dimensionen.

Der Filamentwickelprozess bietet weitere Vorteile. Er minimiert Materialabfall – weniger als 1 % des Faserrovings geht verloren.

csi erkannte die Stärken von xFK in 3D und designte den ULBS-Sitzrahmen für die Fertigung unter Beratung von Dr. Clause Georg Bayreuther, Technologieleiter von AMC.

„In Zusammenarbeit von csi-Ingenieuren, AMC-Beratern und Albas Werkzeug-Experten wurde dieses Konzept und die Struktur für den Sitzrahmen zur Fertigung im xFK in 3D-Prozess entwickelt“, sagt Peter Fassbaender, Technologieberater und Initiator der xFK in 3D-Technologie.

Alba fertigte das Werkzeug für den CFRP-Sitzrahmen und lieferte Engineering-Support. Obwohl der Sitzrahmen aus Kohlefaser gewickelt wurde, sind Naturfasern oder Basaltfasern ebenfalls gute Kandidaten.

Eine hybride Materialstruktur

Zusätzlich zum Rahmen umfasst der ULBS-Prototyp weitere Innovationen. Alba, das das Werkzeug lieferte, lieferte auch Werkzeug, Engineering und Fertigung für den Schaumkörper des Sitzes und führte die Sitzmontage aus. Ein Faserfliesmatte bedeckt den CFRP-Rahmen, der dann mit einem 3D-gedruckten PUR-Schaumüberzug versehen wird. Der Sitzkissenbereich besteht aus herkömmlichem Schaum.

Weitere Gewichtsreduktion wurde durch den Einsatz von 3D|CORE, einem intralaminaren Verstärkungskern (IRC)-Material, in der Rückwandschalenstruktur der Sitzlehne erreicht. Das Material ist ein intralaminarer Verstärkungskern – ein struktureller Sandwichkern, der extrudiertes Polystyrol (XPS) und Polyethylenterephthalat (PET) Schaumkernkörper in einem integrierten Wabenmuster umfasst. Bei der Composite-Teilefertigung wird die Wabenstruktur mit Harz gefüllt, was zu hoher intralaminarer Festigkeit führt. Der 3D|Core wird zwischen zwei Lagen Glasfaser zu einem Preform zusammengebaut und mit thermoplastischem Epoxidharz per Vakuum-unterstütztem Harztransferformen (VA-RTM) infundiert.

Covestro lieferte seinen Dispercoll-Klebstoff als Binder für die Faserfliesmatten sowie das 3D-gedruckte Rückenlehnenkissen. Laut Herrmann bieten Dispercolls mechanische Eigenschaften gute Abriebfestigkeit, wichtig weil Oberflächenkontakt zwischen Kissen und Rahmen die Fliese im Laufe der Zeit verschleißen kann.

„Wenn man einen einzelnen Faserroving in ein Textil einbringt, entstehen Mikrobewegungen zwischen den harten CFRP-Teilen und den Fliesmatten. Die Sitzrahmenkomponenten können am Textil reiben und es zerstören“, erklärt Herrmann.

Traditionelle Sitze haben typischerweise eine größere Auflagefläche für die Polsterung und haben dieses Problem nicht. Mit xFK in 3D gibt es jedoch eine kleinere Kontaktfläche aufgrund der Gerüststruktur.

„Wenn xFK in 3D-Strukturen gegen das Fliesgewebe drücken, braucht man einen spezifischen und dauerhaften Binder; das bietet Dispercoll in diesem Kontext“, fügt Herrmann hinzu.

Covestro lieferte auch angeblich das weltweit erste 3D-gedruckte Kissen. Während konventioneller, werkzeugintensiver Schaum typischerweise in Sitzlehnen verwendet wird, erhöht der Einsatz 3D-gedruckter Sitzlehnenkissen aus TPU (thermoplastischem Polyurethan) die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit des ULBS-Sitzes hinsichtlich Ästhetik, funktionaler Integrationsoptionen und Komfort.

Ein Sitz für die Zukunft

Das ULBS-Projekt erreicht mehrere Ziele. Das resultierende Konzept, zwar noch nicht marktreif, hat Potenzial für zahlreiche Nischenmärkte wie Hypercars, Lufttaxis, ultraleichte Fahrzeuge, Mikromobilität, Hubschrauber, Multicopter und Luftfahrt. Zwar teurer als Serien-PKW-Sitze, demonstriert der ULBS Technologien, die Abfall minimieren und damit Materialkosten senken. Im Vergleich zu anderen Kohlefasertechnologien liefert xFK in 3D sehr geringen Abfall. Das gesamte Projekt zielt auf minimalen Ressourceneinsatz und nur das notwendige Minimum an Material. Der ULBS bietet auch die Möglichkeit, erneuerbare und nachhaltige Ressourcen wie Naturfasern in Rahmenstruktur, Kissen und Textilien zu nutzen.

Aber wichtiger: Das Projekt demonstriert, wie Unternehmen Time-to-Market durch kurze, agile Koordinationsverfahren minimieren können. Es ist auch ein gutes Beispiel für Design Thinking, um ein Produkt erfolgreich von der Idee zum Hardware-Prototyp zu bringen, indem man sich auf funktionale Anforderungen konzentriert und zukünftige Anwendungen und Nachhaltigkeitsziele im Blick behält.