Erste Thermoplast-Tür ebnet Weg für fortschrittliche Automobil-Composites

Automobil-OEMs und Tier-1-Zulieferer ringen mit der Notwendigkeit, Fahrzeugmasse zu reduzieren, um Verbrauchs- und CO₂-Ziele zu erreichen. Composite-Materialien können erheblich zum Leichtbau beitragen, aber Kosten, Designfragen, ungewohnte Verarbeitung und Wettbewerb durch andere Materialien bleiben Hindernisse. Um diese zu überwinden, untersuchen viele Projekte, wie Composites in Multi-Material-Autostrukturen integriert werden können für maximalen Nutzen.

Ein Projekt, das adressiert, wie Composites tragende Karosseriestrukturen reduzieren können, wird vom Clemson University Composites Center, dem Clemson University International Center for Automotive Research (CU-ICAR) und Honda R&D Americas (Raymond, OH, USA) durchgeführt, mit Unterstützung des University of Delaware Center for Composite Materials (CCM, Newark, DE, USA) und Finanzierung durch das US Department of Energy (DOE, Washington, DC, USA).

Projektfokus, so Principal Investigator Dr. Srikanth Pilla, Jenkins Endowed Professor of Automotive Engineering und Dean's Faculty Fellow an Clemson, ist die Frage, ob Composites ultraleichte Schließsysteme – Türen, Hauben, Kofferraumdeckel – ermöglichen können, um parallel zu Antriebs- und Aerodynamikfortschritten beizutragen: „Innerhalb des Technologieportfolios für Leichtbau wurde viel ‚low-hanging fruit‘ bereits umgesetzt – z. B. Motorendownsizing. Wir sehen Potenzial für Effizienzgewinne im Bereich tragender, struktureller Schließsysteme zu einem vernünftigen Preis.“

Zusammenarbeit und Teamwork sind entscheidend

Das vierjährige Projekt, 2016 gestartet, ging auf eine DOE-Ausschreibung zurück, Teil der Obama-Administrations-Serie von Grand Challenges zur Förderung von Wissenschaft und Technik, einschließlich Automobil-Emissionsstandards. Der RFP forderte Design und Entwicklung einer Autotür mit 42,5 % Gewichtsreduktion gegenüber einer Standard-OEM-Tür, bei Erhalt ähnlicher Crashperformance, Haltbarkeit, Use/Misuse-Performance und NVH-Verhalten. Unabhängig vom Design musste die Tür kommerziell verfügbare Materialsysteme nutzen und auf Produktionsvolumen von mindestens 20.000 Fahrzeugen/Jahr skalierbar sein.

Honda stieg als OEM-Berater ein, weil das Projekt mit „unserer Vision einer letztlich emissionsfreien Gesellschaft“ übereinstimmte, sagt Skye Malcolm, Principal Engineer, Advanced Planning & Verification Vehicle Development Foundations bei Honda R&D Americas. Honda fügte eigene Constraints hinzu: „Das Türdesign muss gleiche Dichtgeometrie, gleiche funktionale Ausrüstung wie die Basistür, Class-A-Finish ununterscheidbar vom Original und Honda-Haltbarkeits- und Alterungsanforderungen erfüllen.“ Das Team setzte sich zusätzlich das Ziel, die Tür zu 100 % recyclebar zu machen. Wichtigster Kostenrahmen: DOE schrieb maximal 5 $ pro Pfund eingespartem Gewicht vor (über Basistür). Für eine typische Acura MDX Tür (31,8 kg) bedeutete 42,5 % Reduktion ein Zielgewicht von 18,3 kg, was bei 5 $/lb nur 150 $ Mehrkosten für die Composite-Tür zuließ.

Pilla wird von mehreren Bachelor-/Master-Studenten, Dr. Gang Li (Professor für Engineering Mechanics, Clemson) und Drs. Bazle Haque und Shridhar Yarlagadda (University of Delaware CCM, Experten für Multi-Material-Composites) unterstützt. Yarlagadda, Co-PI, betont: „Honda war integraler Teil unseres Einsatzes und lieferte außergewöhnliche Kollaboration und Commitment, inkl. HPC-Rechenunterstützung und Zugang zu Honda-Ingenieuren über das gesamte Spektrum. Design, Fertigung und Integration von Composite-Komponenten müssen mit kundengesteuerten ‚weichen‘ Anforderungen kombiniert werden, um ein akzeptables Systemdesign zu schaffen – ohne Honda-Unterstützung nicht möglich.“ Dies teilen die anderen Teammitglieder, so Pilla: „Einfacher Materialaustausch war keine Lösung. Wir mussten Systemansatz wählen, und Honda half uns, alle Türsystemelemente bis auf Komponentenebene zu verstehen. Ihre Partnerschaft und Involvierung ist beispiellos.“

Eine neue Tür designen

Initialanalyse beinhaltete Benchmarking anderer OEM-Leichtbau-Schließsysteme für Nischenmodelle: Audi Alu-Türrahmen A8, Porsche Panamera Magnesium-Türrahmen, BMW i8 CFK-Duroplast-Türrahmen. Keine dieser vorherigen OEM-Ansätze erfüllte Kosten- oder Gewichtsziele. Pilla: „Ich wollte Teil von etwas sein, das die Zukunft nützt, zur Kreislaufwirtschaft beiträgt. Eine Thermoplast-Tür wurde noch nie versucht, und sie wäre recyclebar.“ Gegenüber anderen Kandidatmaterialien – Duroplast-Composites, Aluminium, Stahl – boten Thermoplaste nicht nur Recyclebarkeit, sondern hohes Leichtbaupotenzial und schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeiten (vs. Duroplaste) für Produktionsziele.

Mit der ursprünglichen Acura MDX Tür als Baseline (Abb. 1) zerlegte das Team den Materialmix: 62 % Metall, 21 % reines Rigid-Polymer, 13 % Glas, 4 % Elastomer. Größtes Leichtbaupotenzial (60 %) bot der metallische Türrahmen, den das Team von 15,4 kg Basismasse auf 6,2 kg Zielgewicht reduzieren wollte. Während Türinnenteile und Elektronik (Lautsprecher, Fensterheber, Türschloss etc.) nicht reduzierbar waren, ließ sich Fensterglasgewicht um 20 % senken (dünneres Glas ohne NVH-/Haltbarkeitseinbußen). Zudem schätzte das Team, dass Innenelemente an der Türinnenseite um 30 % leichter gemacht oder ganz weggelassen werden konnten.

Die Hauptprojektaufgaben liefen parallel die ersten zwei Jahre. Einige Teammitglieder generierten Materialdaten, andere bearbeiteten Türdesign-Details. Die Materialdatengruppe erzeugte Testdaten für diverse Thermoplaste – kontinuierliche Bänder, Matten, Kurz- und Langfaser-verstärkte Polymere – um Kandidaten für Innenrahmen und Außenhaut zu bestimmen; Materialien kamen von Industriepartnern. Daten wurden via Spinnendiagramme bewertet: Gesamtfestigkeit, Scherfestigkeit, zulässige Kosten, Dichte, Steifigkeit, Zähigkeit als Achsen.

Die bestperformenden Optionen nach initialer Auswertung – kontinuierliche Faserverbände und langfaserverstärkte Thermoplastpellets – durchliefen Materialmodellierung, erklärt Pilla: „Für kontinuierliche Faserverbände ließ sich eine einfache orthotrope Steifigkeitsmatrix basierend auf Hookeschem Gesetz konstruieren. Für langfaserverstärkte Polymere waren Sekundärsimulationen nötig, um Festigkeit und Steifigkeit eines spritzgegossenen Türteils vorherzusagen, wegen Anisotropie durch finale Teilegeometrie und Formfüllprozess.“ Pilla fügt hinzu: „Modellierung dieser Langfasermaterialien ist schwierig, weil wenig Simulationsarbeit dazu existiert.“ Um nötige Daten zu sammeln, entwickelte das Team einen Fertigungsoptimierungsloop. Generische Teilgeometrien für Türinnenrahmen und Außenhaut wurden mit Dassault Systèmes SolidWorks 3D-Designsoftware erstellt; Formfüllsimulationen dieser Geometrien durchgeführt, um Schmelzeflussvektoren mit Moldex3D (Moldex, Chupei City, Taiwan) zu bestimmen; Schmelzeflussdynamik und Kollision analysiert, um Faserorientierung via Digimat (e-Xstream, Hautcharage, Luxemburg, Hexagon Company) zu ermitteln; gemappte Faserorientierungen genutzt, um Steifigkeitsmatrix mittels FEA-Tools zu generieren, inkl. Materialkarten aus Altair HyperWorks CAE. Bei Änderungen an Teilegeometrien und Materialtests wurde der Optimierungsloop mehrfach wiederholt.

Parallel arbeiteten andere Teammitglieder an eigentlichem Türkonzeptdesign, schließlich Werkzeug- und Fertigungssimulationen. Ausgehend von groben Skizzen und hoher Materialauswahl entstand eine Reihe von Designs. Dann grobe CAD-Modelle und initiale FEA-Simulationen für einfache statische Lastfälle. Im Herbst 2016, so Pilla, fand ein Design-Workshop bei CU-ICAR statt, wo das Team die Türkonzeptoptionen auf sieben eingrenzte für weitere Arbeit. „Unsere Designphilosophie von Anfang an: funktionale Integration von Teilen und Materialien maximieren, Teilezahl minimieren, Materialeffektivität durch Optimierung maximieren, Montage vereinfachen“, sagt Pilla.

An diesem Punkt wurden detaillierte CAD-Modelle erstellt und FEA-Simulationen für jedes Konzept durchgeführt, um statische Performance gemäß Hondas Zielen zu validieren. Unter Berücksichtigung Fertigbarkeit und Subsystemintegration begann Konzept 7 (Spaceframe-Ansatz) zu Konzept 2 (einstückiger struktureller Rahmen) zu konvergieren, sodass das Team beschloss, mit Konzept 2 fortzufahren, Lektionen aus Spaceframe einbeziehend. Dieses Konzept besteht aus vier Elementen: äußeres Class-A-Paneel, Türinnenteile, innerer Rahmen/Paneel, Innenelemente.

Multi-Material-Innenraum, Class-A-Außenhaut

Das Team wählte Materialien und Fertigungsprozesse für das finale Türdesign Mitte 2018, Design-Freeze am 15. Januar 2019; Werkzeugbau und Prototyping begonnen. Abbildung 2 zeigt Details für den 1,2 mm dicken Innenrahmen und seine Komponenten (Außenhaut nicht gezeigt). „Beltline“ bezeichnet eine Styling-Linie an der unteren Fensterkante, wo Steifener zur Unterstützung der geformten Composite-Paneele platziert sind. Pilla merkt an, dass der Anti-Intrusionsbalken für Seitaufprall-Schutz in Stahl bleiben musste, um Gesamtgewicht niedrig zu halten – ein Composite-Balken gleicher Performance wäre zu schwer gewesen. Ein Schlüsselelement ist das Befestigungssystem für Verbindung Innenrahmen zu Außenhaut. Pilla erklärt: „Das äußere Class-A-Paneel wird am Ende der Montagelinie an der Tür befestigt, sodass Monteure Türinnenteile vorher einfach einbauen können und Class-A-Oberfläche während Montage nicht beschädigt wird.“ Formgepresste Snap-Fit-Features am Innenrahmen sind justierbar für Fertigungstoleranzen in Y-Richtung, Langlöcher für Metallbefestiger kompensieren Toleranzen in X- und Z-Richtung während Montage.

Zur Gewichtsreduktion hat das aktuelle Türdesign kein konventionelles Innenverkleidungspanel. Stattdessen wurden wenige funktionale Formteile designed: spritzgegossene Kartenhalter, Armlehne aus Naturholz mit ABS-Rückspritzung, Lederpolster mit Schaum laminiert. Zusammen wiegen diese 1,34 kg vs. Baseline-Innenpanel 3,49 kg. Pilla erwartet weitere Gewichtseinsparungen durch Designoptimierung.

Aktuell laufen FEA-Analyse und Optimierung, um statische Lastfälle und dynamische Crashlasten zu modellieren, denen die Composite-Tür standhalten muss. Allein statische Lastfälle sind anspruchsvoll: Türdurchhang, Beltline-Steifigkeit, Spiegelhaltersteifigkeit, Türgriffzugsteifigkeit u. v. m. Dynamische Lasttests, so Pilla, bestehen derzeit aus FMVSS 214 Quasi-statischem Poltest, bei dem eine Fahrzeugtür durch einen Pol (der Dach und Karosserie verfehlt) 18 Zoll nach innen gedrückt wird, während alle Mindestkraftanforderungen eingehalten werden: „Dieser Fall ist rechnerisch am wenigsten intensiv im Vergleich zu den anderen beiden Crashtests [75° FMVSS 5. Perzentile Female (AF5) Poltest und IIHS SICE Test]. Das ermöglicht mehr Design-Experimente und Optimierungsschleifen.“

Gang Li ergänzt: „Die Integration von Composite-Fertigungsprozess und Strukturperformance-Simulationen mit Optimierungsalgorithmen ist sowohl faszinierend als auch herausfordernd. Die Herausforderung liegt in Systemkomplexität und Rechenumfang, aber diese Integration vereint Struktur-, Material- und Fertigungsprozess-Designräume und bietet mehr Leichtbau- und Performance-Chancen.“ Das Erfüllen dieses Poltests bedeutet, die Tür ist nahe an den anderen beiden Pol- und Seitenaufpralltests, fügt er hinzu.

„Unsere Tests zeigen bisher, dass die Composite-Tür die Bundesanforderungen leicht erfüllt, aber unsere Baseline-Acura-Tür hat eine deutlich höhere Comprehensive-Performance als diese Anforderungen“, sagt Pilla. FEA-Ergebnisse zeigen, dass die leichte Composite-Tür mehr Energie absorbiert als Baseline (23,59 kJ vs. 15,34 kJ), was Pilla auf Composites' Fähigkeit zurückführt, nach dem ersten Fließpunkt zusätzliche Deformationsenergie aufzunehmen. Simulationen zeigen aber Verbesserungspotenzial an äußerem Beltline-Steifener und Bewehrungsarchitektur des Innenrahmens.

Mit einem Jahr verbleibender Projektlaufzeit generiert die Gruppe Fertigungssimulationen und Werkzeugansätze; erstellt Massenproduktionsplan für Skalierung und geschätzte Produktionslinienkosten; und fertigt Prototyp(en) für Crash- und mechanische Performance-Tests, Passgenauigkeit, Finish und beschleunigte Alterung.

Pilla: „Die Composite-Tür erreicht das Ziel noch nicht, wegen Paneeldicken, und ist nicht vollständig optimiert. Während wir deutlich leichter als Stahl-Baseline sind, haben wir das 42,5%-Gewichtsreduktionsziel noch nicht erreicht, aber wir sind optimistisch, es zu schaffen.“ Ein Prototyp für Pass- und Funktionstests wird bald bereit sein. Das Projektteam glaubt, dass die für diese Tür entwickelten Materialien und Technologien leicht auf andere Automobilkomponenten skalierbar sind (z. B. Anbauteile und Body-in-White), und die relativ niedrigen Infrastrukturkosten der Composite-Prozesse können neue OEMs und Zulieferer befähigen, diese Technologien umzusetzen – ein Gewinn für Automobil-Composites.