Hybridbauteile für den effizienten Leichtbau

Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung des Antriebs kommt dem Thema Leichtbau eine entscheidende Rolle zu – zum einen, um eine Steigerung von Fahrzeugreichweiten zu erzielen und zum anderen, um das Mehrgewicht insbesondere aufgrund der Fahrzeugbatterien zu kompensieren. Neue Bauweisen und Fertigungskonzepte mit modernen Werkstoffsystemen sind gefragt, um den Anteil des Leichtbaus in Serienfahrzeugen kontinuierlich zu steigern. Mehrkomponentenbauweisen mit faserverstärkten Thermoplasten bieten attraktive Möglichkeiten zur Gewichtsreduktion bei hoher Fertigungseffizienz. Im Zuge der VDI Fachtagung PIAE 2019 werden Dipl.-Ing. Jonas Beck, Leiter Forschung & Entwicklung Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH, sowie Dr.-Ing. Robert Kupfer, Leiter Verbindungstechniken Technische Universität Dresden (TUD), Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), über das Projekt „FuPro“ (gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung) berichten.

Während die Verarbeitung von flächigen Verstärkungsstrukturen und fließfähigen Formmassen zum Beispiel als Organoblech- und Spritzguss-Hybridstrukturen bereits an der Schwelle zur Serienanwendung steht, lassen sich geschlossene Hohlprofile mit kontinuierlichem Faserverlauf bisher nicht in thermoplastische Strukturen integrieren. Das Ziel des Projektes lautet daher, ein Baukastensystem bestehend aus flächigen Grundstrukturen und Hohlprofilen aus Faser-Thermoplast-Verbundwerkstoffen sowie die prozesstechnische Verknüpfung zu einer vollautomatisierten Gesamtanlage bereitzustellen. Dazu wird erstmals eine durchgängige Prozesskette – Hohlprofilherstellung, Preforming, Konsolidierung, Spritzgießen – im Anwendungsmaßstab aufgebaut und am Beispiel eines Gurt-Integralsitzes demonstriert.

Die automatisierte Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Hohlstrukturen erfordert einen interdisziplinären Ansatz, der entsprechendes Expertenwissen aus Textiltechnik, Werkzeug- und Automatisierungstechnik sowie Prozesstechnologie einbindet. Entsprechend breit gesteckt ist der Kreis der beteiligten FuPro-Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft, vom Automobilhersteller über TIER 1-Zulieferer bis hin zum Ingenieurbüro. „Die Wirtschaftlichkeit der Lösung stand von Anfang an im Mittelpunkt des Projektes. Die Expertise der beteiligten Partner hat sich dabei perfekt miteinander ergänzt“, unterstreicht Jonas Beck.

Erste Demonstrationsresultate zur PIAE

Die PIAE-Teilnehmer können auf erste Demonstrationsresultate gespannt sein. „Bis zur Tagung wird die Prozessstrecke zur Demonstratorfertigung in Dresden aufgebaut sein und sich in Betrieb befinden“, kündigt Robert Kupfer an. Schließlich bieten Hohlprofile aus Textil-Thermoplast-Verbundwerkstoffen in Kombination mit Organoblechen und Spritzgießformmassen ein enormes Leichtbaupotential für Fahrzeugkomponenten. Eine effiziente Prozessgestaltung ist dabei die Voraussetzung zur kostengünstigen und großseriengerechten Fertigung.

Nach dem grundsätzlichen Beweis der Machbarkeit geht es im nächsten Schritt darum, die aktuelle Prozesszeit von rund 30 Minuten auf unter drei Minuten bis zur Großserientauglichkeit zu verringern. Vom Gelingen sind die Projektpartner überzeugt und erwarten erste potentielle Serienanwendungen bereits in etwa drei Jahren. „Konkrete Anfragen für Werkzeuge liegen heute bereits vor“, macht Beck deutlich. Dabei bilden Gewichtsreduktion und Prozesseffizienz nur zwei Vorteile. Gleichzeitig punkten die Hybridbauteile mit besonders hohen Tragfähigkeiten, ideal also für verschiedenste Anwendungsbereiche in der Automobilindustrie und Luftfahrt.

Autoren

Dipl.-Ing. Jonas Beck (links)
Leiter Forschung & Entwicklung Werkzeugbau Siegfried Hofmann GmbH

Dr.-Ing. Robert Kupfer (rechts)
Leiter Verbindungstechniken Technische Universität Dresden (TUD)
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK)