Hybrid-Thermoplaste erhöhen Crashfestigkeit von Fahrzeugböden im Automobilbau

Ein ehrgeiziges mehrjähriges Programm des deutschen SMiLE-Konsortiums (Systemintegrierter Multi-Material-Leichtbau für Elektromobilität) hat einen Demonstrator-Automobilheckboden entwickelt, der Teil einer größeren hybriden Rohkarosserie (BIW) ist und großes Potenzial für den Einsatz von Composites und Nichteisenmetallen in mittelgroßer Serienfertigung zeigt. Der Heckboden dieses batterieelektrischen Fahrzeugs (BEV) besteht aus zwei Typen thermoplastischer Composites sowie metallischen Profilen und Einlegeteilen. Er fungiert als Boden von Kofferraum und hinterem Fahrgastraum und ist klebend und mechanisch mit einem zweiten, hybriden/duroplastischen Vorderboden verbunden, der per RTM (Resin Transfer Molding) aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxid mit Metalleinlegeteilen und lokalen Sandwichstrukturen mit PU-Schaumkernen gefertigt wird. Diese Struktur bildet den Boden der vorderen Fahrzeugteilung und beherbergt die Batterien. Das komplette Bodenmodul ist geklebt und geschraubt an Aluminium-Seitenwangen (Rockers/Side Rails), die wiederum an Querträgern des Aluminium-Monocoques verschraubt sind. Der gesamte Demonstrator zielte auf Massenreduktion und signifikante Crashenergieabsorption für ein Serienfahrzeug mit 300 Einheiten/Tag.

Designentscheidungen

Konsortiumsmitglieder am Heckboden: Audi AG (Ingolstadt, auch Gesamtleiter SMiLE) und VW AG (Wolfsburg); KIT-FAST (Karlsruhe); Fraunhofer ICT (Pfinztal, Leiter Vorder- und Heckboden) und Fraunhofer IWM (Freiburg); BASF SE (Ludwigshafen, Thermoplast-Composite-Lieferant); Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Maschinen-OEM); Frimo Group GmbH (Lotte, Werkzeugbauer/Verformer).

Entscheidung für thermoplastische Composites mit Metalleinlegeteilen. Ziel: Kofferraumfeatures und Gurtbefestigungsstrukturen integrieren, gleichzeitig den gesamten Boden zur Crashenergieabsorption nutzen. Normalerweise managen metallische Profile an Seiten metallischer Böden Heckcrashenergien. Angesichts der Schlagfestigkeit thermoplastischer Composites prüften Forscher, ob die gesamte Breite und Länge eines Composite-Bodens Crashlasten managen und höhere Energien absorbieren könnte.

Gängige automobilen Thermoplast-Composites geprüft: Polypropylen (PP) und Polyamid 6 (PA6). PP fiel wegen Temperatur aus – Heckboden durchläuft mit BIW den hochtemperierten Kathodentauchlackierprozess (E-Coat). Continuous-Fiber-Verstärkung nötig für maximale Steifigkeit/Festigkeit. Vortests fokussierten auf Gewebe-verstärktes Organosheet (GMT-Form) und UD-Thermoplast-Prepreg-Tapes. Aus vielen Gründen wurden Tapes für weiteres Prototyping gewählt.

Geometrie des Heckbodens komplex. Automatisiertes Tape-Legen (ATL) – UD-Tapes in beliebiger Orientierung, Fenster/Löcher mit weniger Material als Organosheet – reduziert Ausschuss, Masse, Kosten und erlaubt effizientste Faserausnutzung lokal und global. Da ATL-Fasern flach und parallel in jeder Lagenschicht liegen (nicht gewebt wie Gewebe), entfällt Wellung und damit verbundener Steifigkeits-/Festigkeitsverlust.

UD-Tapes haben Limitationen: Teurer, schlechte Drapierbarkeit, fast kein Fließen – schwierig, komplexe Geometrien zu füllen. Gelöst durch selektiven Einsatz diskontinuierlicher/gehackter D-LFT-Composites: fließend, hohe Funktionsintegration/Teilekonsolidierung, leichter formbar in komplexe Rippen ohne Faserbrücken, dennoch signifikante Crashenergieabsorption. Mit D-LFT auch leichter metallische Einlegeteile einformen – besonders bei vorbohrten Löchern, wo Composite durch und um Metall fließt, starke mechanische Verklammung schafft. D-LFT günstiger als Tapes/Organosheet, leichter in dicken Abschnitten formbar. An der Presse compoundiert, vereinfacht D-LFT Materiallogistik und bietet hohe Flexibilität in Entwicklungsprogrammen für schnelle Materialänderungen – Faserlänge/-typ, Faser-Volumenanteil, Matrix. In Serie: kontrollierbare Prozessparameter für hohe Wiederholbarkeit (R&R), seit fast zwei Jahrzehnten in mittel-/hochvolumiger Autofertigung etabliert.

Um Heckboden dünn, leicht, knickfest und hochenergieabsorbierend zu gestalten, führten Forscher Simulationen und Kleinteiltests mit glas- und kohlenstofffaserverstärkten Tapes und D-LFT bei verschiedenen Fasergewichtsanteilen durch – Bewertung mechanische Performance vs. Füllverhalten. Zwar erzeugten Carbon-Composites dünnere, leichtere, steifere Strukturen als Glas, doch Kosten waren entscheidend und Vorderboden nutzte bereits Carbon. Deshalb Glasfaser für Heckboden beim Scale-up. Ultramid B3K PA6 D-LFT (40 Gew.-% Glas) und acht Lagen Ultratape B3WG12 PA6 (60 Gew.-% Glas), beide BASF.

Nach umfangreicher Simulation: finales Design des 1,3 × 1,3 m Heckbodens – dünnwandige, nahe-net-shape Struktur aus UD-Tapes, vorkonsolidiert zum Laminat, verwoben mit dickerer D-LFT-Knautschzone (siehe Abb. 2). Große Sicken, ebenfalls UD-Tape, mit tiefen Tälern (50 mm hoch, 115 mm breit) entlang Längsachse für hohe Steifigkeit bei geringer Masse/Dicke. Zwei Fenster während Tape-Legen geformt, damit D-LFT durch Laminat dringen kann. Da tiefe Sicken in großen Laminaten schwer formbar, waren Modifikationen an Prozess und Werkzeug nötig (siehe „How Research on an Automotive Floor Module Drove Development of a New D-LFT/Compression Molding Subprocess“). Diese Sicken in Kombination mit zwei D-LFT-Sätzen, die komplexe Rippen in X-Gitterstrukturen bilden, erzeugen hohes Flächenträgheitsmoment – erhöhen Steifigkeit im dünnen, leichten Design bei Vermeidung von Knicken im Crash. D-LFT-Gitter am Heck bilden Knautschzone für Heckcrash-Energieabsorption. Alu-Profile integriert an axialen Seiten, geklebt an D-LFT und Laminat via spezieller Oberflächenbehandlung und Löcher für mechanische Verklammung. Profile designed für weitere Steifigkeitserhöhung, gutes Knickverhalten, Krafteinleitung in D-LFT-Knautschzone beim Crash. Auch direkte Befestigungspunkte für Montage an umgebende Metallstrukturen. Zusätzliche Metalleinlegeteile, integriert formgeformt, liefern direkte Montage für Gurtschlösser.

Erfolgreiche Umsetzung

Simulationen sowie Klein- und Großteilsversuche verifizierten: Gesamter hybrider Heckboden kann Crashlasten managen. Weitere Bewertung: Technologie so sicher wie konventionelle Metallstrukturen.

Ein übergeordnetes Ziel – BIW-Gesamtmasse 200 kg – theoretisch in Simulation und Kleinteilentwicklung erreicht. Im Projektverlauf wurde jedoch bessere Crashperformance gewünscht, was Massezuwachs an Composite-Strukturen erforderte. Kostenüberlegungen führten zum Wechsel von Carbon auf Glasfaser für Heckboden. Resultierender Heckboden mit Einlegeteilen: 32,9 kg; Vorderboden (mit Einlegeteilen, ohne Batterien): 12,1 kg. Masseziel bei finalen Testteilen um nur 4,3 % verfehlt für höhere Sicherheit und niedrigere Kosten. SMiLE-BIW teurer als konventionelle Metallsysteme durch intensiven Carbon-Einsatz im Vorderboden.

Heckbodenprojekt führte zu Fraunhofer ICTs Entwicklung des D-LFT/Press-Subprozesses Local Advanced Tailored LFT – selektiver D-LFT-Auftrag auf vorwiegend UD-Tape-Strukturen für lokal komplexe Geometrien (Rippen), nicht mit Tapes herstellbar. Eine weitere, vor SMiLE entwickelte ICT-Technologie, die im Projekt genutzt wurde: schnelles Erhitzen/Konsolidieren thermoplastischer Tapes via Radiation-Induced Vacuum Consolidation, nun kommerziell bei Dieffenbacher als Fibercon-Maschine.

Bemerkenswert: Experimenteller Prozess und hochkomplexes Werkzeug von Frimo funktionierten von Beginn an; über 100 Demonstratorteile für Tests und Demos gefertigt. Obwohl Team Ein-Schritt-Prozess designed, glaubt Dr.-Ing. Sebastian Baumgärtner (ICT-Teamleiter Thermoplastverarbeitung, Heckbodenprojektleiter), dass in Serie Zweischritt-Prozess effizienter wäre: Laminat-Vorformen in separatem Werkzeug. „Wir versuchten zuerst den schwierigeren Ein-Schritt-Prozess und er funktionierte gut. Doch Werkzeug war sehr komplex, Prozesskontrolle nicht einfach. Wenn Laminat lokal zu heiß, sehr starke Interaktion mit LFT-Strängen. Für gute Wiederholbarkeit in Serie besser vereinfachen und Zweischritt wählen – robuster.“ Dennoch: Angesichts Größe und Komplexität sehr zufrieden. „Wir demonstrierten, dass wir ein innovatives, wirtschaftliches Bauteil fertigen können, gewichts- und performanceoptimiert mit hoher Funktionsintegration mittels kommerzieller Technologie.“

Komplettes Bodenmodul gewann 2018 CCE-JEC Innovation Award in China; deutsches Regierung erkannte SMiLE als Leuchtturmprojekt – Technologie wichtig für zukünftige Mobilitätsdesigns. Team diskutiert nächste Schritte.