Skelett-Design ermöglicht kosteneffiziente Composite-Autostrukturen

Da Hersteller bestrebt sind, die Kosten von Composite-Komponenten zu senken, streben Designer an, Ausgangsmaterialien so effizient wie möglich zu nutzen und gleichzeitig automatisierte Produktion sowie Integration mehrerer Funktionen zu ermöglichen. Für Automobilanwendungen wird diese Herausforderung durch die Notwendigkeit von Zykluszeiten von nur 1–2 Minuten verschärft.

Overmolding als Lösungsansatz

Overmolding – das Aufspritzen thermoplastischer Composite-Features auf Continuous-Fiber-Preforms – wird seit Jahren als mögliche Lösung verfolgt. So demonstrierte das CAMISMA-Projekt 2014 einen overmoldeten Composite-Sitzrücken. „Doch dieser Ansatz wurde nun auf die nächste Stufe gehoben und erreicht die vollautomatisierte Produktion thermoplastischer Composite-BIW-Strukturen [Body-in-White]“, erklärt Dr. Christoph Ebel, Leiter des Lightweight & Application Center (LAC, Meitingen, Deutschland) von SGL Carbon (Wiesbaden, Deutschland).

Dieser Fortschritt verdankt sich einem „Skelett“-Designansatz, der seit mehreren Jahren entwickelt wird. Wie erstmals im MAI-Skelett-Projekt 2015 demonstriert, umfasst der Prozess die Verwendung von unidirektionalen (UD) Carbonfaser-thermoplastischen Pultrusionsprofilen, die in einem zweistufigen, 75-sekündigen Prozess thermogeformt und overmoldet werden, um ein strukturelles Dachbauteil herzustellen, das alle bisherigen Anforderungen übertrifft. Es integriert zudem Clips für Befestigungen und ändert das Crashverhalten von spröde zu duktil, was die BIW-Restfestigkeit erhöht.

MAI-Skelett-Demonstrator: Windschutzscheibenrahmen

Das 17-monatige MAI-Skelett-Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und von MAI Carbon, einer regionalen Division des Carbon Composites e.V.-Netzwerks (Augsburg), abgeschlossen. Unter Leitung von BMW (München, Deutschland) lag der Fokus auf der Realisierung eines spezifischen Demonstrators: dem Windschutzscheibenrahmen, der sich zwischen den beiden A-Säulen über der Frontscheibe befindet. Das Design basierte auf der aktuellen BMW i3-Struktur inklusive aller funktionalen und räumlichen Anforderungen. Der Windschutzscheibenrahmen dient nicht nur als querliegendes Strukturbauteil für das Dach, sondern erfüllt weitere Funktionen: Steifigkeit, die auch Geräusche, Vibrationen und Härte (NVH) reduziert; Festigkeit (Dachpressversuch) zur Erfüllung von Craschanforderungen; Befestigung für Innenraumkomponenten (z. B. Sonnenblenden, Innenverkleidung, Kabelbaum für Beleuchtung) sowie Unterstützung für Verbindungen mit Windschutzscheibe, Schiebedach und äußerem Dachpaneel.

Der Skelett-Design-Windschutzscheibenrahmen bestand aus vier UD-faserverstärkten pultrudierten Profilen in den Ecken des Bauteils, eingebettet in einen overmoldeten Rahmen zur Bereitstellung von Torsionssteifigkeit und komplex geformten funktionalen Anbauteilen. Die pultrudierten Profile liegen nicht alle in einer Ebene, sondern sind auf unterschiedlichen Höhen angeordnet: zwei nahe dem unteren Rand des 60 Millimeter hohen Bauteils, zwei nahe dem oberen Rand.

Pultrusionen als Teil des Thermoplastik-Werkzeugkastens

Für den MAI-Skelett-Windschutzscheibenrahmen wurde ein Querschnitt von 10 × 10 Millimetern finalisiert. Ziel war die Verwendung kostengünstigerer Heavy-Tow-Carbonfasern. Die gewählte 50K-Faser hat jedoch eine dichte Packung unzähliger Filamente, die die Harzimprägnierung erschwert. „Generell lässt sich diese Herausforderung durch optimierte Faserführung und -spreizung überwinden, um optimale Imprägnierung und hohen Fasergehalt von rund 50 Volumenprozent zu erreichen“, sagt SGL-Produktmanagerin für Thermoplaste Veronika Bühler. SGL hat diese Technologie beherrscht und bietet Pultrusionen nun als Teil seines thermoplastischen Werkzeugkastens an. „Wir verfügten bereits über breites Wissen zu Halbzeugen durch unsere thermoplastischen Bänder, die ebenfalls pultrusionsbasiert sind. So konnten wir unsere aktuellen Pultrusionstechnologien schnell anpassen, um eigene Profile zu erstellen.“ Der Prozess umfasst Qualitätsprüfungen auf Fasergehalt, Porosität und Maßgenauigkeit. „Letztere ist aufgrund von Automatisierung und Roboterhandhabung sehr wichtig. Es darf keine Krümmung durch Eigenspannungen in den pultrudierten Profilen geben.“

Neben Pultrusionsverstärkungen wurden im MAI-Skelett auch thermoplastische Harze untersucht. Verschiedene Typen von Polyamid 6 (PA6 oder Nylon 6) wurden getestet, um die erforderliche Viskosität und Rheologie für optimierte Pultrusionsqualität und -geschwindigkeit zu bestimmen. SGL bot eine Reihe von Materialien für das Projekt über seinen thermoplastischen Werkzeugkasten an, der UD-Bänder, Organobleche, Kurz- und Langfaser-Compounds sowie nun UD-verstärkte Pultrusionen umfasst – alle basierend auf SIGRAFIL 50K-Carbonfasern mit Sizing, geeignet für Matrizen aus Polypropylen (PP) und Polyamiden, einschließlich PA6 oder In-situ-PA6. „Es ist essenziell, Fasern, Sizing und Matrix zu harmonisieren, um optimale Performance von Composite-Strukturen zu erreichen“, so Bühler.

Sie erklärt auch In-situ-PA6: „Dabei reagieren Caprolactam-Monomere – oder ein einzelnes Monomer mit Katalysator und Aktivator –, die während des Formens des Composite-Teils polymerisieren [lange Polymerketten bilden].“ Mit anderen Worten: Caprolactam polymerisiert in situ zu Polyamid. Bühler merkt an, dass Polyamide als Polymergruppe auch PA66 und PA12 sowie bestimmte PPA-Typen als weitere Matrixoptionen umfassen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Windschutzscheibenrahmen-Fertigung ist die Fähigkeit thermoplastischer Halbzeuge, während und nach dem Formen thermogeformt zu werden. Dies ermöglicht weitere Funktionalisierung der Form sowie Fusionsverbinden beim Overmolding. Beide waren entscheidende Faktoren im MAI-Skelett-Demonstrator-Design.

Thermoformen und Overmolding

Die Produktion des MAI-Skelett-Windschutzscheibenrahmens begann mit Carbonfaser/PA6-Pultrusionsprofilen. Diese mussten modifiziert werden, um die Bauteilform sowie Krafteinleitung an verschiedenen Punkten zu berücksichtigen. Thermoformen wurde hierfür gewählt, wobei die Hauptsorge darin bestand, dass die hohe Festigkeit und Steifigkeit der Carbonfaser nur durch möglichst gerades Belassen realisiert werden konnte. Dies wurde erreicht, indem die pultrudierten Stäbe in Richtung des Matrixflusses gestreckt und anschließend an den Enden abgeflacht und gebogen wurden (Abb. 1).

Der zweite Prozessschritt bestand darin, die thermogeformten Pultrusionsprofile unter einen Infrarotheizer zu bringen, um sie in weniger als 50 Sekunden auf Temperatur zu bringen, gefolgt von der Überführung in ein Spritzgusswerkzeug mittels eines dafür entwickelten automatisierten Handhabungssystems. Alle Teile im Projekt wurden auf bestehenden Spritzgussmaschinen gefertigt. Faserverstärktes Compound wurde dann auf und um die Profile herum overmoldet. Präzision war sowohl im Werkzeug als auch im Prozess beim Overmolding erforderlich, um die vier thermogeformten, pultrudierten Stäbe in Position zu halten.

Die Gesamtzykluszeit für den zweistufigen Prozess (Thermoformen und Overmolding vorgefertigter Pultrusionen) betrug rund 75 Sekunden. „Da die thermoplastische Matrix vor dem Overmolding aufgeschmolzen wird, ermöglicht dies das Formen und Verbinden der vorgefertigten und thermogeformten Stäbe zum fertigen Teil in sehr kurzen Zykluszeiten“, erklärt Ebel. „Generell ermöglicht die Verschweißbarkeit von Thermoplasten auch das Fügen mit metallischen Komponenten“, fügt Bühler hinzu und betont, dass thermoplastische Thermoform- und Spritzgussprozesse exzellente Reproduzierbarkeit und Prozesskontrolle bieten – kritische Faktoren für die Großserienproduktion.

Duktiles Versagen

PPA- und PA6-Profile mit kompatiblen Formmassen unter Verwendung von Glas- und Carbonfaser wurden evaluiert, um einen duktileren Versagensmodus für das Bauteil zu erforschen. Zwar verringerte ein duktilerer Versagensmodus die Last, die der Windschutzscheibenrahmen übertragen konnte, verbesserte jedoch die strukturelle Integrität der BIW als Ganzes.

Analysemethoden umfassten Volumenmodellierung, Bewehrungsmodellierung (Geometriemodellierung, bei der die Pultrusionen als Bewehrung des Overmoldings fungieren) und Modellierung mit Schalenelementen sowie verschiedene Kombinationen davon. Verwendete Software: FE-Solver ABAQUS (Dassault Systèmes, Paris, Frankreich) und Dakota-Parametersolver von Sandia National Laboratories (Albuquerque, NM, USA). OptiStruct (Altair Engineering, Troy, MI, USA) wurde für Topologieoptimierung genutzt.

Obwohl BMW in seinem Abschlussbericht keine bevorzugte Materialkombination angab, kam es zu dem Schluss, dass finale Simulations- und Testergebnisse zeigten, dass die Skelett-Komponenten alle Anforderungen an das aktuelle CFK-Bauteil übertreffen – außer bei der Torsionssteifigkeit, die nicht als entscheidender Design-Treiber für den Windschutzscheibenrahmen identifiziert wurde. Das Skelett-Design übertraf sowohl Lastniveau als auch Energieabsorption in Crashtestszenarien gegenüber dem aktuellen CFK-Bauteil. Es erreichte zudem einen duktileren Versagensmodus, was nicht nur die Crashperformance von Composite-Strukturen, sondern auch das Verständnis dieser Performance und deren Beziehung zur BIW-Struktur insgesamt vorantreibt.

Zukünftige Skelett-Design-Anwendungen

Im MAI-Skelett-Abschlussbericht merkte BMW an, dass sechs weitere Fahrzeugkomponenten identifiziert wurden, die von der signifikanten Reduktion von Fertigungs-, Material- und Werkzeugkosten durch den Skelett-Design-Ansatz profitieren könnten. SGL Carbon schlägt Anwendungen in automobilen und aerospace Sitzstrukturen, Armaturenbrettern, Roboterarmen, Röntgenliegen und mehr vor.

Der Skelett-Design-Ansatz wurde jedoch noch weiterentwickelt und auf multiaxial beanspruchte Komponenten im Folgeprojekt MAI Multiskelett (September 2015 bis Juni 2017) ausgeweitet. Es wurden Bereiche untersucht, in denen Lagerkomponenten und Pultrusionsprofile sich schneiden, sowie Hochlast-Einleitungsbereiche, insbesondere bei großen Strukturbauteilen, wo mehrere Hauptlastpfade kreuzen. Wie im vorherigen Skelett-Projekt wurden Komponentendesigns und kosteneffiziente Serienfertigungslinien untersucht.

Ein Beispiel für die weitere Optimierung bestehender Composite-Komponenten durch Skelett-Design ist der Carbon Carrier Front-Innenraum für ein Elektrofahrzeug (Abb. 2), der 2017 von SGL und dem Automobiltechnik-Spezialisten Bertrandt (Ehningen, Deutschland) entwickelt wurde. Er integriert alle Hauptfunktionen und Trim-Komponenten eines konventionellen Instrumententrägers und basiert auf einem thermogeformten Organoblech als lasttragendem „Rückgrat“ zur Steifigkeitserhöhung. „In Zukunft könnte dieses Teil durch ein Design mit overmoldeten thermoplastischen Profilen ersetzt werden“, sagt Ebel. „Damit entfielen Schneiden, Legen und Trimmen des Organoblechs. Auch der Querträger wäre überflüssig, da wir ihn als pultrudierte Profile integrieren und overmolden würden, um das Armaturenbrett-Design zu erreichen. Dieses overmoldete Teil würde zudem mehr Raum und Flexibilität für erforderliche Anbauteile sowie Schrauben und Clips zur Befestigung dieser Elemente oder Kabel bieten.“

Ebel räumt ein, dass dies eine massive Designänderung wäre, „aber sie reduziert Kosten und macht die gesamte Komponente effizienter.“ Er weist darauf hin, dass ein Prozess mit fast keinem Abfall möglich ist, da Profile exakt auf benötigte Länge geschnitten werden und keine Carbonfaserverstärkung in diesen Schritten oder beim Thermoformen vor dem Overmolding verloren geht. Bühler merkt an, dass Sitze ebenfalls ideale Kandidaten für Skelett-Design sind. „In Composites werden sie typischerweise mit Geweben oder Bändern gefertigt und sind immer noch plattenartige Strukturen. Wir könnten die Dicke im Plattenbereich verringern, indem wir Profile am Boden integrieren und die Steifigkeit erhöhen.“ Sie fügt hinzu, dass pultrudierte Profile nicht das einzige effiziente UD-Produkt sind, um herum aufzubauen. „Es könnte auch Band sein, das sich leicht an die Lastpfade für jedes Teil anpassen lässt.“

„Wir führen viele Unternehmen durch das Lightweight & Application Center“, sagt Ebel. „Das Skelett-Design als zusätzlicher innovativer Konzept hat großes Interesse geweckt und wird von unseren Besuchern als sehr vielversprechend angesehen.“ Er erklärt, dass das Zentrum seine Designfähigkeiten ausgebaut hat und Unternehmen helfen kann, innovative Ideen wie das Skelett-Konzept zu integrieren, um einen neuen Designraum für zukünftige materialeffiziente Komponenten zu eröffnen.

„Es gibt viele Anwendungen, in denen wir Designs ähnlich dem Windschutzscheibenrahmen nutzen können“, sagt Bühler. „Wichtig für die Industrie ist, vom quasi-isotropen Lagenaufbau wegzukommen, der viel von der Festigkeit und Steifigkeit der Carbonfaser ungenutzt lässt. Stattdessen müssen wir effizientere Materialformen nutzen und jedes Material nur dort platzieren, wo es gebraucht wird. Das braucht die Industrie für die Zukunft.“