ESE E2: Revolutionäres einteiliges Carbonfaser-Rad für Performance-Anwendungen

Ein Teil, ein Aushärtungszyklus. ESEs E2-Rad nutzt Tailored Fiber Placement (TFP) und proprietäres Compression-RTM-Verfahren für ein einteiliges Vollcarbon-Rad. Quelle: ESE Carbon Co.

Carbonfaser-Räder reduzieren Rotationsmasse und ungefederte Masse (Räder, Aufhängung, direkt angeschlossene Komponenten) um bis zu 50 %. Resultat: schnellere Beschleunigung, kürzere Bremswege, bessere Handhabung durch verbesserten mechanischen Grip, weniger Fahrgeräusch.

Doch Preise (>10.000 $/Satz) halten sie fern vom Massenmarkt. Mehrere Anbieter arbeiten an günstigeren Lösungen – von Hybridrädern (Carbon + Aluminium) bis Prepreg-Fertigung.

ESE Carbon Co. (Miami, Florida, USA), gegründet 2011, zielt auf breitere Käuferschichten. Das Unternehmen baute 5-Achs-CNC-Präzisionsbearbeitung, Struktur-Composite-Kompetenzen, TFP-Maschinen und Robotik für automatisierte Fertigung auf. Ziel: Markteinführung der E2-Serie (einstückig, ein Aushärtungszyklus) im kommenden Jahr. Gewicht: nur 17 lbs (7,7 kg), ausgelegt für 3.850 lbs Achslast (Fahrzeuge bis 6.800 lbs GVWR). Laut CEO Carlos Hermida wiegen vergleichbare Aluräder für dieselbe Last >30 lbs.

Tiefe Schale. E2s 5-Speichen-Design basiert auf universeller Sportästhetik mit konkaver, tiefer Schale. CW-Foto: Scott Francis.

Design inspiriert von Alu-Porsche-Rad, für Carbon optimiert. Hochtemperatur-Epoxidsystem mit guter Klarheit, individuelle Oberflächen (Klarlack glänzend/matt, Sonderfarben).

E2 ist zu 80 % nach bestehender SAE-Recommended-Practice (gilt für alle Räder, auch Metall) zertifiziert. Hermida: Wahrscheinlich erstes einteiliges Rad, das unter neuer SAE J3204 (Composite-Räder) zertifiziert wird – diese adressiert Haltbarkeit durch Ermüdungs-/Schlagtests und fügt Umwelteinflüsse hinzu, die für Composites einzigartig sind. Dr. Michael Hayes (VP Product Development, ESE) war aktiv in der SAE-Task-Force, lieferte Daten und Prototypen. Internes Engineering stellt sicher, dass E2 Mindestanforderungen übertrifft. Jahre an Prototypentests und physikbasierter Simulation führten zum aktuellen Design.

„Jahrelange Arbeit der SAE-Task-Force für Composite-Rad-Practice. Viele unserer Testdaten und Erkenntnisse flossen ein, um die Practice ins Ziel zu bringen. Die neue SAE-Practice wird rigoroser als aktuelle Rad-Practices sein – wir begrüßen sie im Namen der Verbrauchersicherheit“, sagt Hermida.

Tailored Fiber Placement. ESEs Rad entsteht mittels ZSK Stickmaschinen TFP-Technologie. Quelle: ESE Carbon Co.

Umstieg auf Tailored Fiber Placement

TFP ermöglicht schnelle, hochvolumige Fertigung von Carbonfaser-Bauteilen mit guten mechanischen Eigenschaften. Faserbündel werden dort positioniert, wo sie für strukturelle Performance nötig sind, und auf eine kompatible Basislage gestickt – statt konventionellem Zuschneiden von Geweben. ESE nutzt Industrie-Carbonfaser-Tow von Hyosung Advanced Materials (Südkorea) und TFP-Technologie von ZSK Stickmaschinen (Krefeld, Deutschland), um Lagen zu sticken, Near-Net-Shape-Preforms zu erzeugen.

„Durch Steuerung des Tow-Pfads beim Sticken in die gewünschte Geometrie wird Material nur dort platziert, wo es im finalen Preform benötigt wird. Bereiche, die beim traditionellen Laminatdesign ausgeschnitten würden, bleiben einfach ungestickt. Das reduziert sowohl initialen Verschnitt beim Zuschneiden als auch Nachbearbeitungsabfall durch Anpassung an komplexe Geometrien“, erklärt Topher Anderson Ph.D., Manager Technical Embroidery Application bei ZSK.

Ursprünglich mit traditionellen Carbonfasergeweben arbeitend, reduzierte ESE durch TFP Lagen um bis zu 50 %, vereinfachte Laminierprozess und minimierte Abfall. Carbonfaser-Abfall sank von ~40 % (Gewebe) auf <10 % (TFP). Zudem: verbesserte Lagenqualität, optimierte Faserorientierung, höhere Designflexibilität.

Luftfahrtqualität-Tow. ESE nutzt Carbonfaser-Tow von Hyosung für E2. Quelle: ESE Carbon Co.

„Unsere Speichen haben starke Krümmung, was Lagen verkompliziert. Mit traditionellen Geweben ist Faserorientierung limitiert. TFP erlaubt nahezu unbegrenzte gerade/kurvige Muster in jede Richtung – Lagen können optimiert werden, um Lasten und Spannungen effektiver zu managen als mit Geweben“, erläutert Hermida.

Signifikante Kosteneinsparung durch Lagenverbesserung: Laminierengpass wurde beseitigt, Laminierzeit um fast 50 % reduziert. Mehr Teile pro Form pro Tag → positiver Einfluss auf Zeit-, Arbeits- und Geräteinvestition pro Rad. TFP vereinfacht Prozess, verbessert Skalierbarkeit, konsolidiert Lieferkette (Tow-Kauf statt Gewebe).

Weiterführende Infos zu Tailored Fiber Placement (TFP):

• Tailored Fiber Placement: Besting metal in volume production
• Variable-axial composites open path to lighter composite structures
• Preforming goes industrial: Part 2

Alles-in-einem-Infusion, ein Aushärtungszyklus

Bremswärme. ESE Carbon: Huntsmans Araldite verbessert Produktionsraten und Radkranzfestigkeit auch bei hohen Bremsentemperaturen. CW-Foto: Scott Francis.

ESE verlässt Autoklavenverfahren für höhere Produktionsraten. E2 wird im proprietären Compression-RTM-Prozess mit eigens entwickelten Pressen gefertigt. Hermida: Ein vollständig infundiertes, einzyklisches Rad war herausfordernd. Schlüsselaspekt: richtiges Harzsystem.

„Wir brauchten niedrige Viskosität, hohe Tg [Glasübergangstemperatur], hohe Klarheit, schnelle Aushärtung, robuste Eigenschaften“, so Hermida.

Wahl: Huntsman Advanced Materials (The Woodlands, Texas) Araldite-Epoxid. Laut Huntsman: niedrige Viskosität für schnelle Injektion, Benetzung, einfache Verarbeitung, Flexibilität für verschiedene Formbedingungen und Zykluszeiten. Mit Araldite: gesteigerte Produktionsrate, höhere Radkranzfestigkeit auch bei Bremshitze.

Aralidite bietet verbesserte Dehnung und höhere Bruchzähigkeit vs. konventionelle Hoch-Tg-Epoxide (bis 200 °C). „Wegen Bremswärme ist das kritisch“, betont Hermida.

Zur Verkürzung der Formzeit: Aushärtung bei Zwischentemperaturen in der Form, optionale Nachhärtung bei erhöhten Temperaturen außerhalb. Ergebnis: leichter Composite-Radkranz mit guter Ermüdungsfestigkeit – essenziell für Dauerhaltbarkeit bei zyklischer Belastung.

Huntsman-Techniker unterstützten ESE bei Harzauswahl, idealen Komponentenverhältnissen für ausreichende Topfzeit (Injektion mehrerer Formen vor Gelierung), prädiktiver Aushärtemodellierung und Laboruntersuchungen.

Das Composite-Rad dreht sich weiter

Automatisierung. ESE treibt Automatisierung bei Trimmen, Pick-and-Place, Preforming voran. Quelle: ESE Carbon Co.

Straßentests ab Q1 2020. Aftermarket-Auslieferung im Laufe 2020, OEM-Gespräche laufen. Kostenfrage: Aktuelle Carbonräder kosten ca. so viel wie günstige Autos.

„Carbonrad-Fertigung ist einzigartig; aktuelle Automatisierung hilft, aber umfangreiche Anpassung und Entwicklung eigener Automatisierung nötig, um gewünschte Preisziele zu erreichen“, sagt Hermida.

Mit TFP Fortschritte in Prozessautomatisierung. Auch Nachbearbeitung automatisiert; aktuell Arbeit an Trimmen, robotergestütztem Pick-and-Place-Laminieren, Preforming.

„Es geht darum, Carbonräder erreichbar zu machen“, sagt Daniel Canavan, VP Business Development. „Wir arbeiten zielstrebig daran, Carbonfaser-Technologien für breitere Bevölkerung anwendbar zu machen.“

E2 will mehr als wettbewerbsfähiges Rad sein. Erstes Ziel: 4er-Satz < 9.900 $. Noch teuer, aber Schritt in Richtung Luxus/Performance-Markt hinaus. Automatisierungsprojekte sollen Kosten weiter senken.

„Unsere Ambitionen gehen weit darüber hinaus“, sagt Hermida. „Das ist nur Startpunkt. Ziel: Preise in Schlagdistanz zu Schmiederädern (5.000–7.000 $).“

„Wir sehen größeren Rahmen: Massenproduktion, E-Fahrzeuge, andere Märkte, wo Gewichtsreduktion am ungefederten Masse Effizienz, Geschwindigkeit, Sicherheit bringt. Vorteile dieser Technologie können echten Unterschied machen“, ergänzt Canavan.