Bremspedale revolutioniert: Thermoplastische Komposite ersetzen Metall für unübertroffene Sicherheit und Performance

Die Automobilindustrie stellte Beschleunigerpedale in den 1990er Jahren von Metallen auf spritzgegossene Kurzglas-Thermoplaste um. Bremspedale jedoch – als sicherheitskritische Komponenten mit anspruchsvollen Steifigkeits-, Festigkeits- und Torsionslastanforderungen – brauchten viel länger für die Umstellung. Der Tier-1-Automobilzulieferer Boge Rubber & Plastics Group (Damme, Deutschland) sagt, er sei der erste Zulieferer, der anspruchsvolle OEM-Performance- und Kostenziele für Bremspedale in thermoplastischen Kompositen erreicht hat. Einzigartiges Design, drei verschiedene Materialien und ein maßgeschneiderter Produktionsprozess ermöglichen dem Unternehmen, Pedale herzustellen, die stärker, steifer, leichter und kostengünstiger sind.

Eine Nische finden, die zählt

Boge ist Entwickler und Produzent von Produkten für Schwingungsdämpfung und Antriebsstrang-/Fahrwerksbefestigung sowie Leichtbau-Kunststoffmodule und Pedalboxen (einschließlich Kombinationen von Brem-, Kupplungs- und Beschleunigerpedalen) für die Autoindustrie. Es produziert seit 2008 Automobilkomponenten in kontinuierlicher Faser Organoblech mit Kurzglas-Umspritzcompounds. 2018 fügte es unidirektionale (UD) Thermoplastbänder hinzu. Durch kontinuierliche Prozessinnovation wurden Zykluszeit und Kosten reduziert und das Geschäft gesteigert.

"2015 kam mein Chef zu mir und sagte: 'Diese Änderungen, die du gemacht hast, sind nett, Daniel, aber es wäre gut, wenn du einen größeren Markt mit Produktionsvolumen findest, das wirklich zählt'", erinnert sich Dr.-Ing. Daniel Häffelin, Senior Manager/Head of Lightweight Team am Boge Global Innovation Center. Ein Team von Boge-Ingenieuren nahm die Herausforderung an und brainstormte, wie man Fasereffizienz steigern könnte, um Kosten zu senken und mehr Geschäft zu gewinnen.

"Organoblech ist ein tolles Produkt, aber man muss es richtig einsetzen, nur wo es gebraucht wird", erklärt Häffelin. "Wir hatten unseren Produktionsprozess schon sehr schlank gemacht, also würden wir nicht viel gewinnen, indem wir versuchten, Zykluszeiten weiter zu senken. Wir schlussfolgerten, dass der beste Weg, Kosten zu reduzieren, darin bestand, die Menge an Endlosfaser zu reduzieren, indem wir diese Faser effizienter nutzen."

Einfach Pedale kleiner oder dünner zu machen, würde auch nicht funktionieren, da es praktische Constraints für Bremspedalgröße und -form gibt, nicht zu erwähnen die anspruchsvollen Performance-Spezifikationen aufgrund seiner sicherheitskritischen Natur. Was am meisten Sinn machte, war, Wege zu finden, die Faserorientierung besser zu kontrollieren, um lokale Eigenschaften in Bereichen des Teils zu optimieren, die die höchsten Spitzenlasten sehen, was Gelegenheiten bietet, Wanddicke in weniger kritischen Bereichen zu reduzieren.

"Wir suchten einen Weg, Fasern lokal zu 'steuern', damit wir sie genau dort platzieren konnten, wo wir sie brauchten, um Steifigkeit und Festigkeit zu erhalten", fügt Dr. Torsten Bremer, CEO der Boge Rubber & Plastics Group, hinzu. "Wir wussten prinzipiell, dass das möglich war, weil wir schon Pick-and-Place-Maschinen in Betracht gezogen hatten, die in Sportartikeln und Medizintechnik genutzt werden, aber sie waren zu teuer. Da entschieden wir, dass wir einen neuen Prozess brauchten."

"Wir arbeiteten bereits mit einem deutschen OEM zusammen, um Wege zu finden, Vollkomposit-Bremspedale zu machen, die ihre Performance- und Kostenvorgaben erfüllen", erinnert sich Burkhard Tiemann, Executive Vice President, Product Line Leader – Plastics der Boge Plastics & Rubber Group. "Wir sagten zu unserem Kunden: 'Wir werden einen neuen Prozess mit UD-Bändern und Organoblech entwickeln.' Sie sagten zu uns: 'Wenn ihr Masse und Kosten weiter reduzieren könnt, machen wir es.' Das war unser Startpunkt. Wir gaben 2015 ein großes Versprechen, dass wir ein Vollkomposit-Bremspedal liefern könnten, das günstiger, leichter und in hohen Stückzahlen produzierbar ist. Es dauerte drei Jahre, die Details auszuarbeiten und unsere ersten Produkte zu liefern."

Fasersteuerung

Komposit-Bremspedale müssen die gleichen Performance-Spezifikationen erfüllen wie Pedale in incumbent Stahl oder Aluminium. Das beinhaltet spezielle Versagensmodusanforderungen mit Lasten bis zu 3.000 Newton und stahlähnliche Durchbiegung bei Maximallast. Angesichts dieser Anforderungen und des begrenzten Bauraums benötigt die Hauptschalenstruktur des Pedals, die die Maximallasten trägt, Endlosfaserverstärkung. Daher entschied sich das Team, Organoblech für das Pedal-Rückgrat zu nutzen. UD-Bänder würden dann genutzt, um lokal Steifigkeit/Festigkeit zu erhöhen und Innenwände während Spitzenbelastungen im Bereich des Teils zu verstärken, der anschließend während des Preformens in einen U-Kanal gebogen wird. Und in Bereichen, wo funktionale Geometrie wie Rippen nötig war, wurde Kurzglas-Umspritzcompound spezifiziert. Das Team fühlte, dass dieser Hybridansatz die Fasereffizienz erhöhen würde, während Materialverbrauch, durchschnittliche Wanddicke und Zykluszeit reduziert würden.

Das Team begann intensive Simulationsarbeit, um Faserpositionen während der Produktion zu optimieren. Die Grundlage für Boges Arbeit basierte auf einem 2011-2014 öffentlich geförderten deutschen Forschungsprogramm namens SoWeMa (Software, Werkzeuge und Maschinenentwicklung für eine vollautomatische und geschlossene Leichtbau-Fertigungskette).

"Die SoWeMa-Forschung deckte viele der Fragen ab, die wir ein Jahr später für unser eigenes Vorhaben stellen würden", erklärt Häffelin. "Weil Design Teil von Boges Kern-Know-how ist, begannen wir mit den Fundamenten des SoWeMa-Programms und bauten unsere eigenen FE (Finite-Elemente) Simulationsfähigkeiten für anisotrope Lagenstrukturen auf."

Ein Fokusbereich war kombinierte Topologieoptimierung für Bandlage und Rippenstruktur. "Wir schufen einen Iterationszyklus, um Platzierung der Bänder zu optimieren und die Rippenstruktur entsprechend anzupassen, da beide über die Steifigkeit und Festigkeit des Teils verknüpft sind", fährt K. Siebe, FEA-Ingenieur, CRRC Innovation Center, fort. "Da die Materialkombination aus UD-Bändern, Organoblech und Kurzfasermaterialien einzigartig ist und ihre Anwendung an ein spezifisches Fenster von Feuchtigkeit und Temperatur gebunden ist, bauten wir unsere eigenen Materialkarten, um genauer zu charakterisieren, wie sich diese Materialien während physikalischer Tests verhalten würden."

Boge spezifizierte die Lagestruktur und Faserarchitektur für jedes Material basierend auf Simulationsergebnissen und einem gegebenen Pedaldesign. Lanxess Deutschland GmbH (Köln, Deutschland) liefert Organoblech in Faser-Volumenanteilen (FVA) von 45-50 %. UD-Thermoplastbänder mit FVA von 55-60 % wurden von Celanese Corp. (Irving, Texas, USA) geliefert. Kurzglas-Spritzcompounds für diese Applikation, bei 40-60 % Fasergewichtsanteil (FGA), wurden von mehreren Quellen geliefert. Alle Materialien sind schwarz und weisen entweder eine Polyamid-6- oder 6/6 (PA6, PA6/6) Matrix auf. Um Kundenspezifikationen zu erfüllen, ist PA6 das Standardharz für alle drei Komposittypen. Je nach Feuchtigkeits- und Temperaturniveaus während der Fertigung sowie Platzrestriktionen und Pedalgeometrie kann Boge jedoch auch PA6/6 für das Umspritzharz nutzen, da die beiden Polymere ähnlich genug sind, um gut zu binden.

Dreistufige Produktion

Parallel zum Design arbeitete das Team an einem dreistufigen Produktionsprozess. Im ersten Schritt wird ein maßgeschneiderter Faserrohling erstellt, indem vorgeschnittenes und vorkonsolidiertes Organoblech als stabile Basis genutzt wird, auf der strategisch UD-Bandstreifen, ausgerichtet auf Lastpfade, aufgelegt und fixiert werden, um die Schalenstruktur des Teils zu verstärken. Im zweiten Schritt wird der Rohling bewegt und sequenziell erhitzt, konsolidiert und geformt/drapiert. Im dritten Schritt wird er mit Kurzglascompound umspritzt, um die gerippte Struktur zu erzeugen.

Um schnelle Zykluszeiten zu erreichen, war Roboterhandling für dieses System gesetzt. Ein Schlüsselprozessmerkmal, das das Team einbeziehen wollte, war die Flexibilität, Bänder beliebiger Länge, in beliebiger Orientierung und an beliebiger Position auf einer Seite der Organoblechschale zu platzieren und diese per Laser an die Schale zu tacken, damit sie in nachfolgenden Schritten nicht verrutschen.

Eine weitere Entscheidung war, den maßgeschneiderten Rohling nicht sofort nach der Lage zu vorkonsolidieren, sondern erst kurz vor Drapieren/Preformen und Umspritzen. Das Team argumentierte, das Material müsse beim Drapieren/Preformen ohnehin wiedererhitzt werden, und um kosteneffektiv zu sein, müsse die Gesamtzykluszeit nahe 1 Minute gehalten werden. Daher erhitzt und konsolidiert Boge den Rohling kurz vor dem Drapieren/Preformen mit einem schnellen Temperaturanstieg kombiniert mit hohem Druck, um eine starke mechanische Verbindung zwischen Band und Organoblech zu schaffen. Die Erwärmung stoppt, und die Teilttemperatur beginnt zu fallen, während der noch heiße, konsolidierte Rohling in die Drapierkavität bewegt wird, bevor er erneut bewegt und in einer zweiten Kavität mit Rippen und anderen funktionalen Merkmalen umspritzt wird. Starke mechanische Verbindungen mit verifizierter Polymerkettenpenetration werden zwischen allen drei Materialien erreicht. Keine Nachbearbeitung nach dem Formen ist erforderlich.

Um Qualitätsanforderungen für diese sicherheitskritischen Teile zu erfüllen, entwickelte das Team auch ein schnelles, präzises und Industry-4.0-konformes System, das Vision, Kraft, Zeit, Druck und Temperatursensoren nutzt, die Material in jedem Fertigungsschritt prüfen. Das System speichert diese Daten und verknüpft sie zurück mit der eindeutigen Identifikationsnummer jedes Pedals. Dies gewährleistet 100 % Rückverfolgbarkeit aller Materialien, Schichten und Prozesseinstellungen, die beteiligt waren.

Bisherige Erfolge

Boges maßgeschneiderter, vollautomatisierter und qualitätskontrollierter Prozess schaffte 2018 den Schritt vom Prototyp zur hochvolumigen Serienproduktion. Mit der Produktion eines neuen Pedals etwa jede Minute kann die aktuelle Fertigungszelle bis zu 1 Million Teile pro Jahr herstellen. Die Vollkomposit-Pedale nutzen 33 % weniger Organoblech als frühere Designs, und die nominelle Wanddicke sank von 3 auf 2 Millimeter. Die Pedale sind auch 50-55 % leichter, erfüllen aber die Festigkeitsanforderungen für Stahl oder übertreffen sie. Die leichteren Pedale verbessern die Fahrhaptik für Verbraucher, und das gesamte System ist am Ende der Lebensdauer zu 100 % recycelbar. Mit dem aktuellen Prozess sind Kompositpedale bei Kostenparität zu Aluminium und leicht teurer als Stahl. Weitere Automobil- sowie Sportartikelanwendungen sind in Entwicklung.

Was hält die Zukunft, da Automobilhersteller Ressourcen auf Flotten-Elektrifizierung verlagern? "Wenn Drive-by-Wire [elektromechanische Betätigungssysteme] und Antriebsstrang-Elektrifizierung üblicher werden, könnten Gaspedale wegfallen, aber Bremspedale bleiben", mutmaßt Häffelin. "Jedoch werden wir wahrscheinlich größere Elektronikintegration, einschließlich Sensoren, in Bremspedalen sehen. Das wird die Teilesubstanziell komplexer machen, was Komposite noch wettbewerbsfähiger als Metalle macht."

Materialeinsatz, Prozessschritte und Ausrüstungskriterien werden in CWs Januar 2021 Follow-up-Artikel "Bespoke process produces composite brake pedal every minute" detaillierter erklärt.