Neues Pressverfahren kombiniert UD-Tapes und D-LFT für leichte E-Fahrzeugböden

Ein mehrjähriges, öffentlich gefördertes Forschungsprogramm unter Leitung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) – Systemintegrierter Multi-Material-Leichtbau für Elektromobilität (SMiLE) – kombinierte Verbundwerkstoffe und Nichteisenmetalle, um Masse und Kosten der gesamten Rohkarosserie (Body-in-White, BIW) eines batterieelektrischen Fahrzeugs (BEV) zu reduzieren. Der Heckboden wurde mit zwei Typen thermoplastischer Composites sowie metallischen Profilen und Einlegeteilen konstruiert. Um diesen Lastenboden schnell und kosteneffizient zu fertigen, wurde ein neues einstufiges Pressverfahren und eine Technologie zum schnellen Erhitzen und Konsolidieren thermoplastischer Tapes entwickelt.

UD-Tape + D-LFT: Hybrid-Composite-Aufbau

Der hybride Hecklastenboden nutzt unidirektionale (UD) thermoplastische Tapes sowie direkt-langfaserverstärkte Thermoplaste (D-LFT). UD-Tapes liefern hohe Steifigkeit/Festigkeit in dünner, leichter Struktur für hohe Knicklasten beim Crash; D-LFT ermöglicht komplexe Geometrien, Funktionsintegration/Teilekonsolidierung und das Einformen metallischer Befestigungspunkte. Verwendet wurden Ultramid B3K Polyamid 6 (PA6) D-LFT mit 40 Gew.-% Glasfaser und acht Lagen Ultratape B3WG12 PA6 mit 60 Gew.-% Glasfaser, beide von BASF SE (Ludwigshafen).

Obwohl D-LFT spritz- oder pressgeformt werden kann und Tape-Laminate umspritzt werden können, werden beide Materialien häufig pressgeformt – ein gut verstandener Automobilprozess mit ausreichender installierter Kapazität lokal und global für das SMiLE-Ziel von 300 Fahrzeugen/Tag.

Herausforderungen konventioneller Kombinationen

UD-Tapes und D-LFT werden in Bauteilen meist auf zwei Arten kombiniert: Entweder Tapes werden gezielt in Lastpfaden vorwiegend D-LFT-Strukturen hinzugefügt (Tailored D-LFT, auch mit Continuous-Fiber-Rovings) – oder Tapes und D-LFT bedecken gegenüberliegende Bauteilseiten. Beim ersten Ansatz können fließende D-LFT dünne Tapes beim Umspritzen verschieben, was Clips oder Haltevorrichtungen im Werkzeug erfordert. Zwar ist der selektive Tape-Einsatz kostengünstiger, doch erreichen solche Bauteile nicht die Festigkeit und Leichtigkeit höherer Tape-Anteile. Beim zweiten Ansatz (Tapes und D-LFT auf gegenüberliegenden Seiten) erzielt man bessere Funktionsintegration auf der D-LFT-Seite und höhere Steifigkeit auf der Tape-Seite, doch die Struktur bleibt relativ schwer und nicht optimal steif/fest.

Neuer D-LFT/Press-Subprozess: Local Advanced Tailored LFT

Angesichts der sicherheitskritischen Natur von Fahrzeugböden und dem Wunsch, den gesamten thermoplastischen Heckboden zur Crashenergieabsorption zu nutzen (nicht nur metallische Profile an den Seiten), sollte der Boden maximal steif und fest sein. Bei gleichzeitiger Gewichts- und Kostensenkung, dünner Wandung ohne Knicken und Funktionsintegration (z. B. Gurtbefestigungen) entwickelten die Forscher einen neuen Subprozess: Der größte Teil des Bodens besteht aus thermoplastischen Tapes (vorab zu einem Laminat konsolidiert), D-LFT wird nur dort appliziert, wo Rippen und komplexe Geometrien nötig sind, die mit Tape-Laminaten allein nicht formbar sind.

Ziel war die Fertigung des 1,3 × 1,3 m großen Heckbodens in einem einzigen Schritt in der Pressenanlage. Dafür waren innovatives Werkzeug und ein sequenzieller Formprozess nötig.

Lokale, angepasste LFT-Verarbeitung

Das finale Design ist eine dünnwandige, nahe-net-shape Struktur aus UD-Tapes, vorkonsolidiert zum Laminat. Große Sicken (50 mm hoch, 115 mm breit) entlang der Längsachse sorgen für hohe Festigkeit bei geringer Masse und Dicke. Simulationen verifizierten die reproduzierbare Formung der Sicken und minimierten Faltenbildung. Die optimale Formfolge: von innen/zentrum nach außen – ähnlich wie bei Handlaminieren. Ein einziger Formschritt im Hauptpresswerkzeug erforderte Werkzeugbewegungen (Schlitten).

Sechs verschiebbare Kavitäten (vier Schlitten) formen Sicken und Strukturen im Laminat, statt sie nur im D-LFT zu überformen – was Masse und Dicke erheblich erhöht hätte. Frühere Arbeiten zur Grenzflächenfestigkeit zeigten: Superiorer Verbund bei Laminattemperatur ≥ 130 °C (unter PA6-Schmelzpunkt) und D-LFT-Zuführung bei 280 °C (über Schmelzpunkt). Um Abkühlung am Werkzeug zu vermeiden, liegt das Laminat auf voll ausgefahrenen Auswerferstiften auf der Kavitätenseite. Während zwei D-LFT-Sätze zugeführt werden, senken sich die Stifte, das Werkzeug schließt, und die vier Schlitten – drei hydraulisch, einer federbetätigt – fahren nacheinander aus, um das Laminat einschließlich tiefer Sicken zu formen. Nach vollständigem Schließen werden die D-LFT-Rippenstrukturen (komplexes X-Gitter) geformt. Diesen sequenziellen Prozess nennt das Team Local Advanced Tailored LFT.

Abweichend von konventionellem Werkzeugdesign besitzt die Form Trennkanten nur dort, wo D-LFT an Bauteilkanten fließt – um selektive D-LFT-Sätze gegen das nicht fließende Tape-Laminat zu pressen.

Strahlungsinduzierte Vakuum-Konsolidierungstechnologie

Ein kritischer Prozessschritt für reproduzierbares Formverhalten und hohe mechanische Eigenschaften ist die Tape-Konsolidierung. Durch schnelles Erhitzen von Tape-Stapeln kurz vor dem Formen werden Hohlräume innerhalb und zwischen Lagen eliminiert und exzellente Konsolidierung/Faserimprägnierung erreicht. Um dies nicht zum Flaschenhals werden zu lassen, wurde der Prozess an die Geschwindigkeit des automatisierten Tape-Legens (Fiberforge RELAY von Dieffenbacher) und die Presszyklen (3.600-t-Compress-Plus-DCP-G-3600/3200-AS, ebenfalls Dieffenbacher) angepasst.

Vor SMiLE hatte das Fraunhofer ICT (Pfinztal) ein innovatives Verfahren entwickelt: Radiation-Induced Vacuum Consolidation zur schnellen Konsolidierung von UD-Tape-Stapeln zu Laminaten – nun kommerziell als Fibercon-Maschine von Dieffenbacher verfügbar. Das Verfahren heilt Imprägnierfehler in Tapes, erlaubt günstigere Tapes bei minimalen Hohlräumen. Infrarotwärme wird auf oberste und unterste Lagenschicht appliziert (Transmission durch IR-transparente Glasplatten), während der gesamte Stapel unter Vakuum steht. Dies entfernt Luft, lässt Harz fließen und füllt Lücken. Die kurze Wärmeeinwirkung verbindet die Tapes schnell, ohne den Stapel zu verschieben. Ergebnis: schnelle, homogene Konsolidierung mit hohen, konsistenten Eigenschaften – reproduzierbares Formverhalten, leichtere Simulation, hohe mechanische Eigenschaften im Endbauteil.

Eine weitere Herausforderung: Wie die Wärme im konsolidierten Laminat auf dem Weg zur Presse halten, um gute Formeigenschaften ohne energieintensives Wiederaufheizen zu gewährleisten. Nach Konsolidierung wird das nun verschweißte Laminat kurz vor Entnahme erneut erhitzt und schnell zur Presse transportiert.

Finaler Prozessablauf

Der finale Prozess für den Heckboden läuft auf vier Anlagen ab, drei davon simultan in der Fertigungszelle:

1. Automatisiertes Tape-Legen: Orientierungen simulationsbasiert via Fiberforge RELAY. Indexiertisch ermöglicht nahezu beliebige Orientierung pro Lage. Einzeltapes pro Lage leicht per Punktschweißen mit darunterliegender Lage verbunden; unterste Lage per Vakuum fixiert. System kann Löcher/Fenster im Stapel durch Kantenschneiden vor Tackdown legen – reduziert Nachbearbeitung und Ausschuss.
2. Konsolidierung im Fibercon: Stapel zwischen Glasplatten, Vakuum, IR-Wärme kurzzeitig durch Platten projiziert – PA6-Matrix über Schmelzpunkt (~230 °C) erhitzt, Harz fließt, Hohlräume entfernt. Abkühlung unter Kristallisationstemperatur (~180 °C) konsolidiert Tapes zu einheitlichem Laminat.
3. Pressen-Vorbereitung: Im offenen Presswerkzeug (vorheriges Teil gerade ausgeworfen) bleiben Auswerferstifte ausgefahren; manuelles Einlegen von zwei Alu-Profilen und mehreren Metalleinlegeteilen in Oberwerkzeug/Kernseite während Wartezeit auf nächste Materialrunde.
4. Umsetzen und Formen: Heißes Laminat im Fibercon erneut über PA6-Schmelzpunkt erhitzt, entnommen, in offene Presse übertragen. Auf voll ausgefahrenen Auswerferstiften (Kavitätenseite) abgelegt, um Wärme vor Ankunft der D-LFT-Sätze zu halten.

Parallel werden D-LFT-Materialien nah an der Presse aufbereitet: Zwei Extruder (In-Line Compounder von Dieffenbacher) – erster mischt Harz und Additive, zweiter schneidet Fasern auf Länge und kombiniert mit Harz/Additiven zu vollständig gemischten, vorgewiegenen, heißen D-LFT-Sätzen, die zur Presse gelangen. Beim Heckboden: zwei D-LFT-Sätze auf Laminat bei Absenken durch Einfahren der Auswerferstifte.

Mit heißeren D-LFT-Sätzen auf kühlerem Laminat beginnt Pressenschluss; vier Schlitten fahren sequenziell aus, um Laminat vor vollständigem Werkzeugschluss vorzuformen. Sequenzielle Schlittenbetätigung verhindert Faltenbildung bei 3D-Formung inkl. Sicken. Nach vollständigem Oberschluss: Tape-Laminat vollständig geformt, heiße D-LFT-Sätze bei 1.430 MT zu rippenförmigen Gitterstrukturen geformt. Komplettes Bauteil mit integrierten Metalleinlegeteilen wird nach Öffnen ausgeworfen.

In Serienfertigung würde Materialhandling per Portalroboter mit Nadelgreifern erfolgen; im Forschungsprogramm manuell. Gesamtzykluszeit: 240 Sekunden, gebremst durch dicke Rippen. Forscher glauben: In Serie < 100 Sekunden mit weiteren Werkzeugmodifikationen möglich, noch niedriger bei vorkonsolidiertem Laminat vor Presseinsatz.