Composite-Verstärkungen in Fahrzeugkarosseriestrukturen

Obwohl Composites in automotiven Body-in-White (BIW) Strukturen einige Fortschritte gemacht haben, wird der Materialeinsatz in diesem Fahrzeugbereich seit langem von Stahl und, kürzlich, Aluminium dominiert. Deshalb verlassen sich Autohersteller stark auf Schweißen und mechanische Befestiger wie Bolzen und Schrauben zum Fügen metallischer Strukturen. Obwohl allgemein robust, können geschweißte Verbindungen und Befestiger versagen. Sie verbessern auch wenig die Steifigkeit (ohne unnötige Massensteigerung) oder mindern Geräusch/Vibration/Härte (NVH) oder Crashenergie, die durch das Fahrzeug geleitet wird. Eine Möglichkeit, diesen Herausforderungen zu begegnen, ist die Verstärkung von BIW-Verbindungen und -Hohlräumen mit Composites in Kombination mit Strukturbeschlägen.

Composite Body Solutions (CBS)

Ein Beispiel für eine solche Lösung ist eine Klasse von Materialien/Technologien namens Composite Body Solutions (CBS). Dazu gehören 3D-Struktureinsätze zur Verstärkung primärer Fahrzeugstrukturen, die Elemente des BIW oder anderer Fahrzeugsubstrukturen, Thermoplast-Träger (mit kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Faserverstärkung) und wärmeaktivierte, schäumende Strukturbeschläge kombinieren. CBS-Elemente werden früh im Karosseriebau installiert, vor Auftrag der elektrophoretischen Rostschutzbeschichtung (E-Coat).

CBS-Komponenten werden typischerweise in einem 2K/Spritzgieß-Überformprozess hergestellt, bei dem der Träger – mit Schweißlaschen oder Snap-Fits zur temporären Verbindung des CBS mit metallischen BIW-Komponenten – selektiv mit expandierendem Kleber und möglicherweise einem zusätzlichen Dichtstoff (im 3K-Prozess) für zusätzliche Funktionalität überformt wird. Der trockene, unausgehärtete Kleber (basierend auf individueller Epoxidchemie) kann in komplexe Formen gebracht werden, erlaubt jedoch E-Coat-Beschichtung metallischer Elemente, indem er einen Spalt zwischen Composite- und Metalloberflächen vor wärmeinduzierter Expansion während der Nach-E-Coat-Ofenhärtung aufrechterhält. Beim Aufschäumen werden Spalten zwischen Träger und umgebenden Komponenten versiegelt, was sie in einer kastenartigen „Makrostruktur“ zusammenhält, die mechanische Eigenschaften verbessert, besonders unter hohen und dynamischen Lasten.

Wenn sie früh im Fahrzeugdesign integriert werden, sind CBS-Module massen- und kosteneffiziente Optionen zur Erhöhung lokaler und globaler BIW-Steifigkeit und Verbesserung von Insassensicherheit und Komfort bei geringerer Masse. Sie ermöglichen auch neutrale oder geringere Kosten gegenüber schwereren, rein metallischen Lösungen. Ursprünglich nur in der Automobilindustrie eingesetzt, hat ein wachsendes Portfolio an Träger- und Klebstoffmaterialien die CBS-Anwendungen erweitert, dessen Highlights folgen.

Entwickelt für Leistungsherausforderungen

CBS-Technologie wurde von L&L Products Inc. (Romeo, Michigan, USA) entwickelt und kommerzialisiert. Mit langer Geschichte als Automobilzulieferer für Dichtstoffe, Akustikmaßnahmen und Verstärkungen zur BIW-Performance-Verbesserung entwickelte L&L die Technologie, um Kunden zu helfen, Insassensicherheit zu erhöhen und strengere Crash-Anforderungen bei geringeren Kosten und Gewicht zu erfüllen, während Verarbeitung und Montage im Fahrzeugbau verbessert werden.

Zwischen 1995 und 2004 war CORE Products, ein Joint Venture zwischen L&L und Gurit Essex (Wattwil, Schweiz), für frühe Anwendungsentwicklung und CBS-Fertigung verantwortlich. L&L übernahm schließlich alle Assets von CORE, das nun als L&L Products Europe operiert.

L&L arbeitete eng mit seinen Materiallieferanten während der initialen Entwicklung und anschließenden Expansion der CBS-Technologie. Ein solches Unternehmen, Lanxess AG (Köln, Deutschland), lieferte lange Composite-Trägermaterialien und Materialcharakterisierung sowie Simulationssupport für L&L in Europa.

CBS in der Anwendung

Zusätzlich zu den genannten Vorteilen bietet CBS-Technologie bessere Lastpfadübergänge, multiaxiales Lastmanagement und Energieabsorption; größere Sektionsstabilität (Widerstand gegen Kollaps oder Eindringen); geringeres NVH; und verbesserte Fahrdynamik und Crashperformance bei höheren Lasten. Zudem bietet sie schnellere Implementierungszeiträume während Fahrzeugdesign/Redesign und erfordert keine Montagereihenfolgeänderungen im Karosseriebau. Da CBS-Technologie die Energieübertragung durch Karosseriestrukturen kontrollierbar macht, während Verformung und/oder Eindringen minimiert werden, ist sie ideal für Anwendungen, die Frontal-, Seiten- oder Heckcrash oder Dachquetschen widerstehen müssen, um Insassen, Fahrgastrahmen und Batterien besser zu schützen. Sie ist auch nützlich für Strukturen, die anspruchsvolle Protokolle wie die Insurance Institute for Highway Safety (IIHS, Arlington, Virginia, USA) Small-Overlap-Crashtests bestehen müssen.

„Die Designvielseitigkeit der CBS-Technologie hilft, Montage in Bereichen mit komplexen oder schwer zugänglichen Bedingungen zu vereinfachen“, erklärt Núria Ignés, Structural Products Engineering Manager, L&L Products Reinforce bei L&L Products EMEA (Altorf, Frankreich). „Zum Beispiel reduziert der Einsatz von CBS-Technologie an Türen und anderen Verschlüssen nicht nur Gewicht und erhöht Steifigkeit, sondern kann die Türfertigung vereinfachen, wenn sie früh im Designprozess integriert wird. Dank CAE-Tools und jahrzehntelanger Erfahrung, plus der Kombination von Träger und Schaum, die eine robuste Befestigung am BIW nach Aushärtung bietet, können wir die richtige Menge des richtigen Materials am richtigen Ort einsetzen, um Steifigkeit mit Masse und Kosten oder Energieabsorption mit Akustik und Kosten auszubalancieren.“

„Ein wirklich interessanter Aspekt der CBS-Technologie ist ihre ‚bio-mimetische‘ Natur“, fügt Peter Cate, L&L Global Strategic Marketing Manager, hinzu. „Genau wie die zellulären Verstrebungen im Knochenzentrum die masseneffizienteste Methode der Natur sind, Steifigkeit hinzuzufügen und Lasten in Hohlstrukturen zu managen, verstärken CBS-Einheiten nach Expansion des Klebers Fahrzeugkarosseriehohlräume auf die gleiche Weise und helfen Ingenieuren, strukturelle Steifigkeit bei minimaler Masse zu optimieren.“

„Durch Erhöhung lokaler und gesamtsteifigkeit und effektivere Lastverteilung über eine Struktur sind CBS-Verstärkungen maßgeschneiderte Lösungen zur Behebung lokaler Steifigkeits- und Metallermüdungsprobleme ohne Massezuwachs“, fährt Pal Swaminathan, Business Development Manager, Tepex Automotive, Lanxess Corp. (Pittsburgh, Pennsylvania, USA) fort. „NVH-Verbesserungen sind auch häufig, wenn CBS-Technologie in Karosseriestrukturen integriert wird. Wiederum erlaubt sorgfältige Engineering-Analyse Entwicklung und standortoptimierte Lösungen zur Ausbalancierung von Fahrverhalten und Handling.“

Frühe Anwendungen

Eine frühe Automobilanwendung der CBS-Technologie am damaligen PSA Groups 2006 Citroën C4 Picasso Limousinen umfasste neun Einheiten zur Verstärkung von A- und B-Säulen und dem hinteren Querträger. Die Verstärkungselemente reduzierten das Fahrzeuggewicht um 12 kg bei verbesserter Insassensicherheit. Das schwarze Material ist der Lanxess-Composite, das rote L&Ls Epoxidschaum und das silberne ein Teil der metallischen Karosseriestruktur, an die das CBS-Element angebracht ist.

L&Ls erste kommerzielle Automobilanwendung von CBS war 1998; bis 2002 gewann die Technologie Marktakzeptanz. Ein gutes frühes Beispiel wurde an 2006 Citroën C4 Picasso Limousinen der PSA Group (Paris, Frankreich – jetzt Stellantis N.V., Amsterdam, Niederlande) umgesetzt. Neun CBS-Komponenten – an unteren Abschnitten der A-Säulen, unteren und oberen Abschnitten der B-Säulen und am Querträger über der Hinterachse – reduzierten die Fahrzeugmasse um 12 kg gegenüber metallischen Optionen. Einige CBS-Einsätze erhöhten selektiv die Tragfähigkeit und minimierten das Eindringen in den Fahrgastraum bei Aufprall, was die Insassensicherheit verbesserte. Andere verbesserten die NVH-Performance des BIW. Alle Träger wurden im Spritzguss aus 35 Gew.-% Kurzglas/Polyamid 6 (PA6) gefertigt. Ähnliche CBS-Einheiten wurden an 2012 Ford Transit Lieferwagen von Ford Motor Co. (Dearborn, Michigan, USA) verwendet.

Neue Träger- und Schaumoptionen

Im Laufe der Jahre erweiterten L&L und seine Lieferanten die CBS-Technologie mit neuen Schaumformulierungen, einem breiteren Spektrum an Trägerharzen und Verstärkungen und durch Anwendung des Konzepts auf verschiedene Strukturen.

Beispielsweise sind die meisten CBS-Träger für Crashanwendungen mit hitzestabilisiertem, 30 Gew.-% glasverstärktem PA6 ausgelegt, da ein Gleichgewicht zwischen Steifigkeit und Duktilität in einer komplexen 3D-Form nötig ist. Zwei solche Träger wurden an vorderen Längsträgern für eine große Elektrofahrzeug (EV) Plattform eingesetzt, wo sie Berichten zufolge nicht nur die Montage vereinfachten (Reduzierung der Teileanzahl), sondern auch das Crash-Eindringen in die Spritzwand um 20 % reduzierten.

Für höhere Aufprallanforderungen sind nun Hybridträger verfügbar, wie jene, die A-Säulen am weitgehend aluminiumkarosserierten 2019 Porsche 911 Carrera Cabriolet Sportwagen von Porsche AG (Stuttgart, Deutschland) verstärken. Als Cabriolet war die Versteifung des dachlosen Rahmens kritisch, um Insassen bei Überschlägen zu schützen. Um Fahrzeuge leicht und agil zu halten, ersetzte Porsche schwere Stahlrohr-Überrollbügel durch CBS-Einsätze in den A-Säulen. Säulenschalen wurden aus hochfestem Stahl gefertigt, die durch CBS-Einsätze in jeder Säule stabilisiert und versteift wurden. Der Hauptträgerkörper war ein pressgeformtes Organoblech (47 Vol.-% Köper-Glasgewebe/PA6), das vorgeheizt, vorgeformt und dann mit Rippen (30 Gew.-% Kurzglas/PA6/6) überformt wurde. Die Organoblech-Seite trägt L&Ls L-5235 expandierenden Kleber. Nicht nur erfüllte diese Hybridtechnologie alle Leistungs- und Gewichtsziele (was die Stahlrohr-Option angeblich nicht tat), sondern reduzierte die Fahrzeugmasse um 5,4 kg, erleichterte die Montage und senkte den Fahrzeugschwerpunkt, was die Fahrdynamik verbesserte.

Für Anwendungen, wo kein Ofenprozess zur Aktivierung des expandierenden Klebers verfügbar ist, oder wo zusätzlicher Support im Lackiererei nötig ist, arbeitet L&L an anderen Raumtemperatur-Aushärtungslösungen.

Mehrere verwandte Technologien basierend auf CBS wurden ebenfalls entwickelt. Bald mit erster kommerzieller Anwendung kombiniert L&Ls Continuous Composite System (CCS) glas- oder carbonfaserverstärkte pultrudierte Träger – z. B. Polyurethan (PUR) mit oder ohne Gewebe sowie Rovings – mit maßgeschneiderten Dichtstoffen oder Strukturbeschlägen. CCS-Elemente, die auch CBS-Teile und metallische Komponenten integrieren können, verbessern Steifigkeit und Festigkeit von konstanten Querschnittsstrukturen bei geringerer Masse (typischerweise 75 % weniger als Stahl und 30 % weniger als Aluminium). Sie sind korrosionsbeständig, nicht leitend/elektrisch isolierend, bieten niedrigen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CLTE) und hochvorhersagbares Energiemanagement, was sie ideal zur Verstärkung von Strukturträgern an Unibody-Fahrzeugen oder Rahmenabschnitten für Body-on-Frame-Fahrzeuge sowie Batterierahmen für EVs macht.

Composite-Panel-Verstärkungen umfassen selbsthaftende, expandierende Strukturbeschläge, koextrudiert mit Glasfaserverstärkung, die im Karosseriebau auf geformte Metallpaneeloberflächen aufgebracht werden. Das System verbessert nicht nur Steifigkeit (Reduzierung von Welligkeit und Knicken) großer/relativ ungestützter Paneele, sondern auch NVH durch erhöhtes Flächenträgheitsmoment. Zudem bietet es Möglichkeiten zur Reduzierung der Blechdicke für geringere Masse und Kosten. Kommerzielle Anwendungen umfassen Autotüren, Dach- und Bodenpaneele, Hauben, Kotflügel, Heckklappen und Heckklappen; potenzielle Anwendungen umfassen Batteriegehäuse.

Wabenpaneel-Verstärkungen nutzen leichtes Epoxid – in Pastenform für manuelle Anwendung oder niedrigviskose Flüssigkeit für automatisches Pumpen –, das nach Aushärtung bearbeitet oder geschliffen werden kann. Diese sind darauf ausgelegt, Wabenkerne, vorwiegend an strategischen Stellen in Flugzeuginnenräumen, zu stabilisieren, ohne übermäßige Masse hinzuzufügen. Weitere Anwendungen umfassen Randverstärkung (Versiegelung/Verstärkung von Composite-Paneelkanten), Einlegebonding und lokale Verstärkung, wo Metallscharniere/Einlagen in Composite-Paneelen installiert sind.

Zukünftige Perspektiven

Seit dem ersten Patent 1999 hat L&L zahlreiche Erfindungen für CBS-Technologie angemeldet. Angesichts des breiten Spektrums an Träger- und Klebstoffoptionen innerhalb dieser Produktfamilie ist es nicht überraschend, dass Anwendungen über Automobil hinaus in Lkw und Luftfahrt expandiert sind. Was kommt als Nächstes?

„Im Laufe der Jahre haben sich CBS-Produkte weiterentwickelt, um neue Anwendungsanforderungen zu bedienen, die Funktionen kombinieren“, fügt Ignés hinzu. „Zum Beispiel hat das, was als reine Struktureinforcement begann, sich entwickelt, um nicht nur zu versteifen, sondern auch akustische Funktionen zu verbessern oder Energieabsorption zu erhöhen. Angesichts der Suite hochwünschenswerter Eigenschaften, die CBS-Technologie bietet, erwarten wir nicht nur Wachstum im Automobilbereich, sondern auch in anderen Branchen.“