Revolution im Heckklappen-Design: Test modifizierter Filamentwickeltechnik

Automobil-Heckklappen, also Heckklappen, gehen seit Jahrzehnten langsam von Metallen zu Kompositen über. Erst 2013 wurde die erste ganzheitliche Kunststoff-/Komposit-Heckklappe ohne Metalltragstruktur kommerzialisiert, doch die meisten Heckklappen verfügen heute noch über diese Tragkomponente, an der Außenhaut und Innenverkleidung befestigt sind, insbesondere bei größeren, schwereren SUVs und CUVs mit größeren Heckklappen.

Doch was möglicherweise die nächste Evolution bei Komposit-Heckklappen darstellt, debütierte 2019 am Toyota Supra Sportwagen von Toyota Motor Corp. (Toyota City, Japan). Ein filamentegewickelter Kompositrahmen ersetzte einen Metallrahmen und bietet angeblich höhere Steifigkeit und Festigkeit bei geringerem Gewicht als traditionelle Metallstrukturen, mit größerer Designflexibilität, besonders bei begrenztem Bauraum. Berichten zufolge wurde der Filamentwickelprozess so weit modifiziert, dass er, wachsendes Interesse und wachsende Anwendungen vorausgesetzt, die Geschwindigkeits- und Kostenziele der Serienfahrzeugproduktion erfüllen kann. So kam Design und Technologie zustande.

Trilaterale Fertigung

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

Kürzlich beteiligte sich Magna an einem interessanten Programm mit den Automobilherstellern Toyota und BMW AG (München, Deutschland), die seit 2013 bei Design- und Fertigungsprojekten kooperieren. Für den jüngsten Effort wollte Toyota sein Supra-Namensschild wiederbeleben und hatte sich mit BMW zusammengetan, um Design und Abstimmung für das Fahrzeug und ein Schwestermodell, BMWs 2-Sitzer Z4, bereitzustellen. Die beiden Fahrzeuge teilen Motor, Aufhängung und Lenksystem. Magna Steyr würde beide Autos in Graz montieren sowie den Supra mit Sitzen, Karosserieteilen, Türschlössern und Heckklappen beliefern. Während es auf beiden Autos viel Innovation gibt, ist die im Supra verbaute Heckklappe der Bereich, in dem Komposit-Design-Innovation am offensichtlichsten ist.

Manchester von Böhmen

Jahre vor Magnas Beteiligung am Modelljahr 2020 Supra hatte sein Werk in Liberec, Tschechien, Technologien für Komposit-Spaceframes für diverse potenzielle Anwendungen erforscht. Wie es der Zufall wollte, hat die Region eine reiche Tradition als führendes Textilzentrum und war einst als "Manchester von Böhmen" bekannt. Das Liberec-Team suchte eine Technologiearchitektur, die hohe Lasten trägt, die Gesamtmasse reduziert, enge Maßhaltigkeit wahrt und in einem Prozess mit hoher Wiederhol- und Reproduzierbarkeit (R&R) gefertigt werden kann, um die Leistungs- und Fertigungsanforderungen europäischer Automobilhersteller zu erfüllen.

"Wir kamen zu dem Schluss, dass wir ein Duroplast-Produkt mit hoher thermischer und dimensionsstabiler Leistung benötigten", erinnert sich Riad Chaaya, Magna Global Product Line Director – Composite Liftgates. "Wir wussten auch, dass wir eine geschlossene Form mit der Fähigkeit benötigten, Querschnitte variabler Formen und Dicken herzustellen – notwendig zur Optimierung von mechanischer Leistung, Bauraum, Masse und Kosten –, die in einem Prozess hergestellt werden kann, der 150.000 Teile jährlich fertigen kann. Wir prüften viele Technologien, darunter Blasformen, Flechten und Filamentwickeln, aber keine erfüllte ganz unsere Bedürfnisse. Nach vielen Versuchen wählten wir Filamentwickeln als beste Übereinstimmung, da es uns Kontrolle über Orientierungen und Anzahlen der Filamente gab, um den höchsten Modul bei geringstem Gewicht zu extrahieren."

Trotz vieler Vorteile bestand die Sorge, dass Filamentwickeln für die konventionelle Automobilproduktion zu langsam sein könnte. Zudem brauchte das Team eine Methode, den Wickelprozess zu beginnen und zu beenden, um einen geschlossenen Rahmen zu erzeugen. Glücklicherweise bedeutete Liberecs Textilfertigungs-Erbe, dass die lokale Gemeinschaft voller Experten für Rovings und Filamentwickeln war.

"Glücklicherweise hatten diese Experten die Leidenschaft, ihr traditionelles Know-how wiederzubeleben, um es in neuen Wegen für hochvolumige Automobilanforderungen anzuwenden", fügt Dr.-Ing. Josef Půta, Magna Exteriors Technology Leader – Tschechien, hinzu.

"Weil traditionelles Filamentwickeln für unsere Bedürfnisse zu langsam war, suchten wir und unsere Partner nach vielen Wegen, es schneller zu machen", erinnert sich Lukáš Strouhal, Head of Industrialization, Magna Liberec. "Wir betrachteten Wege, jeden Prozessschritt zu beschleunigen, aber auch ganz andere Ansätze. Obwohl wir nicht zu viel über das Wie sagen können, können wir sagen, dass wir enorme Geschwindigkeitsverbesserungen erzielten, sodass unser modifizierter Prozess 'automotive-würdig' werden konnte."

Magna und seine Partner erforschten viele Harzsysteme, einschließlich Epoxid, Polyurethan (PUR) und ein PUR/Vinylester-Blend, sowie diverse Verstärkungen von Glas über Carbon bis Basaltfasern. Das finale System setzt auf PUR und Glasfasern, die die beste Balance aus Fasereffizienz, Performance, Kosten und Produktionsgeschwindigkeit boten.

Magnas generischer filamentegewickelter Spaceframe wird in drei Schritten produziert, jeder sorgfältig auf Geschwindigkeit optimiert. Zunächst wird ein starrer, zellulärer PUR-Kern per Reaktionsspritzguss (RIM) hergestellt; zweitens wird dieser Kern, der als Dorn fungiert, mit Glasfaser gewickelt; und drittens wird diese gewickelte Struktur dann mit PUR infundiert und im High-Pressure Resin Transfer Molding (HP-RTM) Prozess konsolidiert. Dabei wird darauf geachtet, dass der Kern während Infusion/Konsolidierung nicht kollabiert. Půta erklärt, dass viel Arbeit in die Spezifikation der Roving-Typen, Sizings und Harze ging – enge Zusammenarbeit mit Lieferanten bei Materialmodifikationen – sowie in die Bestimmung der Wickelanzahl und Filamentorientierung in jeder Lage. Nicht überraschend hält das Unternehmen zahlreiche Patente von Design und Kernproduktion über die Filamentwickelmaschine bis hin zu zusätzlichen Trade Secrets.

"Wir haben in jedem Prozessschritt und Produkt mehrere Innovationen gemacht", erklärt Strouhal. "Man könnte einen unserer Rahmen auseinandernehmen, die Formen und Geometrien sehen und sich trotzdem fragen, warum und wie wir das gemacht haben."

Obwohl das Magna Liberec Team seine Spaceframe-Technologie nicht für eine spezifische Anwendung entwickelt hatte, stand ihnen bald eine interessante Gelegenheit bevor, sie einzusetzen.

Herausfordernde Heckklappe

Magna hat eine lange Geschichte in der Produktion von PKW-Heckklappen. Das Unternehmen baute angeblich die ersten ganzheitlichen Olefin-Heckklappen in Nordamerika und Europa für den 2013 BMW i3 Elektro-Kleinwagen und entwarf und baute eine nächste Generation ganzheitlicher Olefin-Heckklappe für FCA NA LLCs (Auburn Hills, Michigan, USA) 2019 Jeep Cherokee SUVs. Da Heckklappenfertigung ein Liefergegenstand für das Supra-Programm war, zog Magna nicht nur die in Liberec geleistete Arbeit heran, sondern auch seine lange Geschichte der Umwandlung metallischer Heckklappenstrukturen in Komposite und Kunststoffe.

"Die Supra-Heckklappe bot eine Reihe unmittelbarer Herausforderungen", erinnert sich Chaaya. "Erstens war der Bauraum sehr begrenzt, was sehr enge Toleranzen bedeutete und die Werte des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten sorgfältig gemanagt werden mussten, um Heckklappen frei öffnen und schließen zu lassen. Zweitens war die Form dieser Tür noch herausfordernder. Toyota wollte nicht nur eine leichtere Heckklappe, sondern hatte sehr spezifische Styling-Anforderungen, wie sich das Heck des Fahrzeugs drapierte. Drittens wären Werkzeuge, um diese Form in Metall zu erreichen, bei den projizierten Bauvolumina sehr kostspielig. Tatsächlich kamen wir zu dem Schluss, dass der Heckklappenrahmen nicht in einem einzigen Metallstück gefertigt werden konnte und dennoch Toyotas Design- und Leistungsanforderungen erfüllen würde. Das bedeutete, der Spaceframe musste aus Kompositen, genauer: Duroplast-Kompositen, gefertigt werden."

Die Außenhaut wäre ein lackiertes, spritzgegossenes talkverstärktes TPO-Panel für die aggressive Form, während das Innenpanel aus Langglas-Polypropylen (PP) bestünde; beide würden mit einem strukturellen 2K-PUR-Klebstoff am Rahmen verbunden. Chaaya fügt hinzu, dass viel Arbeit in die Optimierung des Spaceframes und die Vervollständigung der Heckklappe zur Erfüllung der Torsionslastanforderungen gesteckt wurde. Eine frühe Herausforderung war, einen Weg zu finden, Materialeigenschaften präzise zu simulieren, um eine genaue Korrelation zwischen vorhergesagten und gemessenen Ergebnissen zu erreichen.

"Es war ein harter Kampf, gute Korrelation mit unseren Materialmodellen zu erreichen, da wir jede Wickellage simulieren und Form, Radien und Wickelanforderungen einbeziehen mussten", fügt er hinzu. "Obwohl wir anfangs 20 % daneben lagen, waren unsere finalen Vorhersagen nach viel Abstimmung und Ermittlung der besten Steifigkeitsverbesserung sehr nah dran. Bei so einem großen Rahmen schafften wir es auch, Maßhaltigkeit auf 1 Millimeter zu halten."

Viele Vorteile

Der finale donutförmige Rahmen weist variable Durchmesser und Wanddicken auf, hat aber einen Nenn-Durchmesser von 50-60 Millimetern. Abgesehen von einer kleinen Halterung in der Ecke und harten Anbauteilen wie Schlössern und Scharnieren, plus Folie zur Erdung der integrierten Antennen, ist der gesamte Rahmen – der 104 x 111 Zentimeter misst – vollständig komposit. Selbst "Ohr"-Halterungen, die das Innenverkleidungspanel mit der unteren Hälfte der Heckklappe verbinden, sind komposit und werden via HP-RTM gefertigt. Obwohl der Kompositrahmen 10 % leichter ist als ein vergleichbarer Metallrahmen, bedeuten Masse-Dekompositionseffekte, dass die komplette Heckklappe ~20-25 % leichter ist als eine metallische Heckklappe. Leichtere Heckklappen erfordern weniger Kraft zum Öffnen/Schließen für Verbraucher, sind für Arbeiter bei der Fahrzeugmontage leichter zu installieren, sparen Kraftstoff während der Fahrzeuglebensdauer und bieten das, was Strouhal als "erstaunlich solides Geräusch" beim Schließen der Heckklappe beschreibt. Das Kompositsystem eliminierte auch Schritte wie Kantenumschlagen und Schweißpunkte/-nähte, die bei Metallheckklappen nötig sind.

Chaaya deutet an, dass sein Unternehmen ein weiteres großes filamentegewickeltes Automobilprojekt in Arbeit hat. Er sagt auch, dass Magna weitere Anwendungen für die Technologie jenseits von Heckklappen sieht. "Türen, Kofferraumdeckel, Motorhauben, FEMs (Front-End-Module) und sogar autonome Fahrzeuge – wie ein Bus, der aus einem glasumwickelten Rahmen besteht – könnten einen solchen Spaceframe nutzen", fügt er hinzu. "Und er müsste nicht mal versteckt sein. Wenn wir Carbonfasergewebe nutzten, wäre es ein Prestigezeichen, diese schöne Oberfläche offenzulegen und den Rahmen nicht innen zu verstecken."