Hybrid-Thermoplaste verleihen der Ladefläche Schlagfestigkeit

Ein ehrgeiziges mehrjähriges Programm des deutschen Konsortiums Systemintegrierter Multi-Material Lightweight Design for E-Mobility (SMiLE) hat ein Demonstrator-Automobil-Ladebodenmodul entwickelt, das Teil einer größeren Hybrid-Karosserie (BIW) ist und zeigt vielversprechend für den Einsatz von Verbundwerkstoffen und Nichteisenmetallen in einer mittelständischen Produktionsumgebung. Der hintere Ladeboden dieses batterieelektrischen Fahrzeugs (BEV) besteht aus zwei Arten von thermoplastischen Verbundwerkstoffen sowie metallischen Profilen und Einsätzen. Er fungiert als Boden des Kofferraums und des hinteren Fahrgastraums. Es wird wiederum haftend und mechanisch mit einer zweiten Ladeboden aus Hybrid-/Duroplast-Verbundwerkstoff verbunden, der aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz (RTM’d) mit Metalleinlagen und lokalen Sandwichstrukturen mit Polyurethanschaumkernen spritzgepresst wird. Diese Struktur ist der Boden für die vordere Fahrzeughälfte und hält die Batterien. Das komplette Ladebodenmodul wird auf Aluminiumschwellen/-Längenträger geklebt und verschraubt, die ihrerseits mit Querträgern des Aluminium-Monocoques des Fahrzeugs verschraubt sind. Der gesamte Demonstrator des Ladebodenmoduls wurde entwickelt, um die Masse zu reduzieren und eine signifikante Crash-Energieabsorption für ein Serienfahrzeug mit einem Bauvolumen von 300 Autos/Tag zu bieten.

Entwurfsentscheidungen

Zu den Konsortiumsmitgliedern, die an der Heckladefläche arbeiteten, gehörten die Autohersteller Audi AG (Ingolstadt, Deutschland – auch Leiter des gesamten SMiLE-Programms) und der Audi-Eigentümer Volkswagen AG (Wolfsburg, Deutschland); Institut für Fahrzeugsystemtechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT-FAST, .) Karlsruhe, Deutschland); Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (F-ICT, Pfitztal, Deutschland, Leiter für Front- und Heckladebodenprojekte) und Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (F-IWM, Freiburg, Deutschland); Lieferant für thermoplastische Verbundwerkstoffe BASF SE (Ludwigshafen, Deutschland); Maschinen-OEM Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau (Eppingen, Deutschland) und Werkzeug-/Spritzgießerei Frimo Group GmbH (Lotte, Deutschland).

ie Entscheidung fiel, den Heckladeboden aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen mit metallischen Einlagen herzustellen. Das Team wollte Kofferraumfunktionen und Sicherheitsgurtbefestigungsstrukturen in der zweiten Reihe hinzufügen, aber auch den Ladeboden nutzen, um erhebliche Aufprallenergien zu absorbieren. Normalerweise verlassen sich Automobilhersteller hauptsächlich auf metallische Profile an den Seiten von metallischen Ladeböden, um die Aufprallenergien von Personenkraftwagen zu bewältigen. Angesichts der Schlagzähigkeit thermoplastischer Verbundwerkstoffe fragten sich die Forscher jedoch, ob die gesamte Breite und Länge einer Verbundstoff-Ladefläche genutzt werden könnte, um Crashlasten zu bewältigen. Sie fragten sich auch, ob höhere Aufprallenergien absorbiert werden könnten.

Die Forscher überprüften gängige thermoplastische Verbundwerkstoffe für die Automobilindustrie. Als Matrizes wurden Polypropylen (PP) und Polyamid 6 (PA6) in Betracht gezogen, jedoch wurde PP aus Temperaturgründen eliminiert, da der Heckladeboden mit dem BIW durch das Hochtemperatur-Elektrotauchlackierverfahren (E-Coat) Rostschutzverfahren fährt. Um höchste Steifigkeit und Festigkeit zu erreichen, war eine Endlosfaserverstärkung erforderlich. Daher konzentrierten sich die Vorversuche auf gewebeverstärkte Organobleche (eine Form von Glasmatten-Thermoplast-(GMT)-Verbundwerkstoffen) und unidirektionale (UD) thermoplastische Prepregbänder. Aus vielen Gründen wurden Bänder für das weitere Prototyping ausgewählt.

Die Forscher wussten, dass die Geometrie des hinteren Ladebodens komplex sein würde. Der Einsatz automatisierter Tapelegemaschinen (ATL) – die UD-Bänder in jeder Ausrichtung platzieren und Fenster/Löcher mit weniger Material als Organoblech herstellen – würde Ausschuss, Masse und Kosten reduzieren und die effizienteste Nutzung von Fasern lokal und global im gesamten ermöglichen Teil. Da die über ATL platzierten Fasern in jeder Lage des Lagenstapels flach und parallel liegen und nicht wie Stoffe gewebt sind, gibt es keine Welligkeit und folglich einen Verlust an Steifigkeit und Festigkeit.

UD-Tapes haben jedoch Einschränkungen:Sie sind relativ teuer und haben eine schlechte Drapierfähigkeit mit fast keinem Fließen, was das Füllen komplexer Geometrien erschwert. Diese Probleme wurden durch den selektiven Einsatz von diskontinuierlichen/zerhackten Direkt-Langfaser-Thermoplast-(D-LFT)-Verbundwerkstoffen überwunden, die fließfähig sind, ein hohes Maß an Funktionsintegration/Teilekonsolidierung ermöglichen und sich viel einfacher zu komplexen Rippen ohne Faserbrücken formen lassen, können aber absorbieren erhebliche Aufprallenergie. Mit D-LFT ist es auch einfacher, metallische Attachments einzusetzen, insbesondere wenn die Inserts vorgebohrt sind, damit die Löcher das Komposit durch und um das Metall fließen lassen und eine starke Verbindung durch mechanische Verblockung entsteht. Darüber hinaus ist D-LFT kostengünstiger als Bänder oder Organoblech und viel einfacher in dicken Abschnitten zu formen. Auf der Pressenseite zusammengesetzt, vereinfacht D-LFT die Materialbestandsverwaltung und bietet hohe Flexibilität bei Entwicklungsprogrammen, um Materialeigenschaften – Faserlänge und -typ, Faservolumenanteil (FVF) und Matrix – bei der Herstellung und Bewertung von Teilen schnell zu ändern. Während der Produktion sind Material-/Prozesseinstellungen kontrollierbar, um ein hohes Maß an Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit (R&R) zu erreichen, weshalb Automotive das Verfahren seit fast zwei Jahrzehnten für die Mittel- bis Großserienproduktion verwendet.

Da die Forscher die Heckladefläche dünn und leicht halten und gleichzeitig hohe Aufprallbelastungen absorbieren wollten, führten sie Simulationen und erste Entwicklungen durch Kleinteiletests mit glas- und kohlefaserverstärkten Bändern und D-LFT an verschiedenen Fasern durch -Gewichtsfraktionen (FWFs) zur Bewertung der mechanischen Leistung im Vergleich zum Füllverhalten. Obwohl Carbon-Verbundwerkstoffe dünnere, leichtere und steifere Strukturen erzeugten als Glas, da auch die Kosten eine Rolle spielten und der vordere Ladeboden bereits eine Kohlefaserverstärkung verwendete, wählten die Forscher Glas, um den hinteren Ladeboden beim Scale-up auf Teile in Originalgröße zu verstärken. Verwendet wurden Ultramid B3K PA6 D-LFT mit 40 Gew.-% Glasfaser und acht Lagen Ultratape B3WG12 PA6 mit 60 Gew.-% Glasfaser, beide von BASF.

Nach langer Simulationsarbeit wird das 1,3 x 1,3 m Das endgültige Design des hinteren Ladebodens besteht aus einer dünnschaligen, endkonturnahen Struktur, die aus UD-Bändern hergestellt wird, die zu einem Laminat verwoben sind, das mit einer dickeren D-LFT-Knautschzone verwoben ist (siehe Abb. 2). Große Wellen, auch aus UD-Band ,   mit tiefen Mulden (50 mm hoch und 115 mm breit) wurden entlang der Längsachse des Teils für hohe Steifigkeit bei geringer Masse und Dicke geformt. Darüber hinaus wurden während des Tape-Layups zwei Fenster gebildet, damit D-LFT durch das Laminat dort eindringen konnte, wo es benötigt wurde. Da tiefe Wellungen in großen Laminaten schwer zu formen sind, war es notwendig, sowohl den Formprozess als auch das Werkzeug zu modifizieren, um gute Teile herzustellen (siehe „Wie die Forschung an einem Fahrzeugbodenmodul die Entwicklung eines neuen D-LFT/Compression Moulding-Subprozesses vorangetrieben hat“). Diese Wellen erzeugen in Kombination mit zwei Ladungen D-LFT, die komplexe Rippen in X-förmigen Gitterstrukturen bildeten, ein hohes Trägheitsmoment für die Fläche, was die Bauteilsteifigkeit in der dünnen Leichtbauweise erhöht und gleichzeitig ein Beulen im Crash verhindert. D-LFT-Gitter an der Rückseite des Teils bildeten eine Knautschzone, um Energie bei Heckcrashs zu absorbieren. An den axialen Seiten der Ladefläche wurden Aluminiumprofile angeformt und über spezielle Oberflächenbehandlungen sowie Löcher, die eine Verzahnung gewährleisten, mit D-LFT und Laminat verbunden. Diese Profile wurden sorgfältig entwickelt, um die Steifigkeit des Teils weiter zu erhöhen, ein gutes Knickverhalten zu bieten und die Kraft während eines Crashs in die D-LFT-Knautschzone zu übertragen. Sie bieten auch Befestigungspunkte für die direkte Befestigung des hinteren Ladebodens an umgebenden Metallstrukturen. Zusätzliche Metalleinsätze, die ebenfalls einstückig in die Struktur eingegossen sind, ermöglichen die direkte Befestigung von Sicherheitsgurtschlössern.

Erfolgreiche Implementierung

Simulationsarbeiten sowie Klein- und Großteiltests belegten, dass die gesamte Heckladefläche des Hybrids zur Bewältigung von Crashlasten genutzt werden kann. Eine weitere Bewertung ergab, dass diese Technologie genauso sicher sein sollte wie herkömmliche Metallstrukturen.

Ein größeres Projektziel – Reduzierung der Gesamtmasse des BIW auf 200 kg — wurde theoretisch bei der Simulation und Kleinteileentwicklung erfüllt. Im Laufe der Entwicklung des Projekts wurde jedoch eine bessere Crash-Performance gewünscht, was eine Erhöhung der Masse an Verbundstrukturen erforderte. Zudem führten Kostenüberlegungen zu einer Umstellung von Kohlefaser- auf Glasfaserverstärkung für den hinteren Ladeboden. Der daraus resultierende Heckladeboden mit Einsätzen wiegt 32,9 kg, während der vordere Ladeboden (mit Einsätzen, aber ohne Batterien) 12,1 kg wiegt. Bei den abschließenden Testteilen wurde das Massenziel nur um 4,3 % verfehlt, um eine höhere Sicherheit und geringere Kosten zu erreichen. Zudem wäre das SMiLE BIW durch den intensiven Einsatz von Kohlefaserverstärkungen im vorderen Ladeboden teurer als herkömmliche metallische Systeme.

Das Projekt des hinteren Ladebodens führte zur Entwicklung eines D-LFT/Kompressions-Unterprozesses von F-ICT namens lokaler fortschrittlicher maßgeschneiderter LFT , das selektiv D-LFT-Material auf weitgehend UD-Bandstrukturen aufbringt, um lokal komplexe Geometrien (wie Rippen) zu erzeugen, die mit Bändern nicht hergestellt werden können. Eine weitere F-ICT-Technologie, die vor SMiLE entwickelt wurde, aber im Projekt verwendet wird, ist eine Methode zum schnellen Erhitzen und Verfestigen von thermoplastischen Bändern durch strahlungsinduzierte Vakuumverfestigung eine Technologie, die jetzt von Dieffenbacher auf einer Maschine namens Fibercon kommerziell erhältlich ist.

Bemerkenswert ist, dass der experimentelle Prozess und das hochkomplexe Werkzeug von Frimo von Anfang an funktionierten und mehr als 100 Demonstratorteile für spätere Tests und Demonstrationen hergestellt wurden. Obwohl das Team den Formprozess so konzipiert hatte, dass er in einem einzigen Schritt erfolgen sollte, konnte Dr.-Ing. Sebastian Baumgärtner, F-ICT-Teamleiter für Thermoplastverarbeitung und Leiter des Heckladeboden-Projekts, ist der Ansicht, dass es in einer Produktionsumgebung effizienter wäre, dieses komplexe Teil in zwei Schritten zu formen, wobei die Laminatvorformung in einem separaten Werkzeug erfolgt. „Wir haben uns entschieden, zuerst den härteren Ein-Schritt-Prozess auszuprobieren und es hat gut funktioniert“, erklärt Baumgärtner. „Allerdings war das Tool sehr komplex und die Prozesskontrolle nicht so einfach. Wenn das Laminat stellenweise zu heiß wurde, hatte es eine sehr starke Wechselwirkung mit den LFT-Strängen. Um eine gute Wiederholbarkeit während der Produktion zu gewährleisten, wäre es besser, die Dinge zu vereinfachen und einen zweistufigen Prozess zu wählen, der robuster wäre.“ Angesichts der Größe dieses Verbundteils und des komplexen Herstellungsprozesses war das Team jedoch mit den Endergebnissen sehr zufrieden. „Wir haben gezeigt, dass wir mit kommerzieller Technologie ein innovatives und wirtschaftliches Teil herstellen können, das gewichts- und leistungsoptimiert ist und eine hohe Funktionsintegration aufweist“, fügt er hinzu.

Die komplette Ladefläche wurde mit dem CCE-JEC Innovation Award 2018 ausgezeichnet in China und der Bundesregierung haben das größere SMiLE-Programm als Leuchtturmprojekt anerkannt, sodass die Technologie für den Einsatz in der zukünftigen Mobilitätsgestaltung wichtig sein wird. Das Team diskutiert über die nächsten Schritte.