Hybrid-Leichtbau Kunststoff trifft Metall

Redakteur: Beate Christmann

Wissenschaftler haben ein Verfahren entwickelt, um Elektrofahrzeuge leichter zu machen: Sie nutzen das Leichtbaupotenzial von FKV-Metall-Hybridwerkstoffen und modifizieren sie durch einen neuen Umform-Hinterspritz-Prozess.

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Die Bodengruppe aus dem Projekt Leika kombiniert die Werkstoffe Stahl, FKV, Magnesium und faserverstärkter Spritzguss. Durch die Kombination der sonst einzelnen Prozessschritte konnte die Anzahl der Einzelkomponenten signifikant verringert werden.
Die Bodengruppe aus dem Projekt Leika kombiniert die Werkstoffe Stahl, FKV, Magnesium und faserverstärkter Spritzguss. Durch die Kombination der sonst einzelnen Prozessschritte konnte die Anzahl der Einzelkomponenten signifikant verringert werden.
(Bild: TUD/ILK)

Der Leichtbau gilt als Schlüsseltechnologie für die Konstruktion elektrisch betriebener Fahrzeuge. Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts hat eine erhebliche Senkung des Energiebedarfs zur Folge, was bei immer noch stark begrenzten Batteriekapazitäten einen wichtigen Faktor darstellt. Da der konventionelle Leichtbau mittlerweile aber an seine Grenzen stößt, geht der Trend hin zum Hybrid-Leichtbau, bei dem verschiedene Werkstoffe miteinander kombiniert und jeweils belastungsgerecht eingesetzt werden. Konstrukteure scheitern jedoch häufig an der Problematik, eine technisch realisierbare sowie wirtschaftlich rentable Serienproduktion zu verwirklichen.

Kombination etablierter Prozesstechniken ermöglicht Serienproduktion

Wissenschaftler des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden starteten 2013 gemeinsam mit den Unternehmen Krauss-Maffei, Frimo, Kirchhoff, Thyssenkrupp und weiteren Partnern das Forschungsvorhaben Leika – Ressourceneffiziente Mischbauweisen für Leichtbau-Karosserien. Ziel war es, die Strukturmasse in Elektrofahrzeugen zu verringern. Spezialisiert haben sich die Projektpartner dazu auf Hybridwerkstoffe aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) und Metall. Nun ist es den Projektpartnern gelungen, ein neues Umform- und Hinterspritzverfahren für FKV-Metall-Hybridwerkstoffe zu entwickeln.

Anhand einer Bodenstruktur für Elektrofahrzeuge demonstrieren die Wissenschaftler die Serientauglichkeit eines kombinierten Umform-Hinterspritz-Prozesses und das Leichtbaupotenzial der hybriden Werkstoffe. Dazu verbinden sie metallische Deckschichten aus Stahl oder Magnesium mit einem Faserverbundkern mit PA6-Matrix zu neuartigen Hybridmaterialien. So sind sie in der Lage, die positiven werkstofflichen und technologischen Eigenschaften beider Verbundpartner in einem Sandwichaufbau optimal auszunutzen.

Neben effizienten Methoden zur praxisgerechten Strukturauslegung unter statischer und dynamischer Belastung wurden vor allem Fertigungstechnologien durch die Kombination etablierter Prozesstechniken – Umformen und Spritzguss – entwickelt und aufgebaut.

Vom Labormaßstab zur Versuchsanlage

Nach ersten erfolgreichen Umformversuchen im Labormaßstab wurde am ILK eine Versuchsanlage konzipiert und aufgebaut. Auf Basis der im Prozess-Entwicklungszentrum des ILK vorhandenen 3000-t-Schnellhubpresse wurde durch den Projektpartner Krauss-Maffei eine bauhöhenreduzierte Bolt-on-Anlage mit einem SP-12000-Spritzaggregat entwickelt und installiert. Mit dieser Anlagentechnik ist es möglich, die FKV-Metall-Hybridwerkstoffe in einem Schritt umzuformen und zu hinterspritzen. Die daraus abgeleitete Prozess- und Strukturqualität untermauert zusammen mit den zu erreichenden Taktzeiten von deutlich unter zwei Minuten das theoretische Potenzial einer solchen Hybridisierung sowohl auf Werkstoff- als auch auf Fertigungsseite.

Derzeit erfolgen letzte Tests an Einzelbauteilen und die experimentelle Validierung der gesamten Baugruppe, um den Nachweis zu erbringen, dass die prognostizierte Masseverringerung von etwa 25 % gegenüber einer metallischen Leichtbaulösung bei gleicher Performance erreicht wird.

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