Leichtbautechnologien für den Fahrzeugbau

Struktur- und Karosserieteile aus faserverstärkten Kunststoffen

Aufgrund weltweit strengeren CO2-Grenzwerten sind die Automobilhersteller verstärkt zum Einsatz neuer Technologien angehalten, um die Emissionsrichtlinien einzuhalten. Eine Möglichkeiten, um dieses Ziel zu erreichen besteht darin, Struktur- und Anbauteile aus leichteren Materialien wie bspw. faserverstärkten Kunststoffen zu fertigen. Dieser Trend zur Gewichtsreduktion bei Fahrzeugen geht mit der Nachfrage neuer Materialien und modernen Fertigungstechnologien einher, um die gesetzten Anforderungen an die Produkte einzuhalten.

Jedoch hat der Einsatz von FVK noch nicht umfassend in der automobilen Massenproduktion Einzug erhalten. Die Gründe sind vielfältig und reichen von unausgereiften Grundlagentechnologien bis hin zu Automatisierungslücken in etablierten Fertigungsprozessen. Das Fraunhofer IPT widmet sich gezielt diesen technologischen Herausforderungen, um mit serientauglichen Produktionstechnologien bezahlbaren Leichtbau zu realisieren.

System- und Prozessentwicklung für thermoplastische FVK

Leichtbaukomponenten aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) ermöglichen geringe Fahrzeuggewichte und können somit den Verbrauch reduzieren und die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen. Doch noch sind diese Bauteile unverhältnismäßig teuer: Durch die langen Zykluszeiten in der Fertigung eignen sie sich vor allem für Autos im Hochpreissegment. Wirtschaftliche Fertigungsverfahren für die Großserie sind nur begrenzt vorhanden.

Das Fraunhofer IPT verfolgt den Ansatz einer belastungsoptimierten Auslegung und Fertigung von Bauteilen. Ziel hierbei ist die wirtschaftliche Fertigung durch die Minimierung von Material- und Prozesskosten, kombiniert mit der Ausschöpfung des Leichtbaupotenzials, welche in einer Gewichtsreduzierung resultiert. Für dieses Spannungsfeld werden am IPT innovative Produktionssysteme und Prozesse in enger Zusammenarbeit mit Partnern entwickelt. Exemplarisch ist ein System zur Herstellung von belastungsoptimierten Blechen, sogenannten Tailored blanks, und die Möglichkeiten zur verschnittfreien Verarbeitung von unidirektional faserverstärkten Thermoplastbändern (Tapes) zu nennen.

Zerspanung von Verbundwerkstoffen für die Fahrzeugindustrie

Für den Fahrzeugbau entwickeln und optimieren wir insbesondere die Zerspanung umformbarer und damit großserienfähiger Verbundmaterialien. Im Fokus stehen dabei vor allem glasfaserverstärkte thermoplastische Werkstoffe sowie lastoptimierte lokal mit Kohlenstofffasern verstärkte Glasfaserkunststoffe (CFK-GFK-Hybridwerkstoffe).

Die endkonturnahe Herstellung von Bauteilen aus faserbasierten Leichtbauwerkstoffen erfordert in den meisten Fällen einen nachgelagerten Bearbeitungsprozess. Erst mit der finalen Bearbeitung wird die endgültige Bauteilkontur erzeugt. Das spanabhebende Verfahren stellt nach aktuellem Stand der Technik das wichtigste Endbearbeitungsverfahren für Verbundwerkstoffe dar.

Das Fraunhofer IPT hat in vielen Forschungs- und Industrieprojekten zur Zerspantechnologie umfassendes Technologiewissen und ausgeprägte Systemkompetenz erworben. Zusammen mit einem einzigartigen Maschinenpark bildet dies die Voraussetzung dafür, auch in Zukunft weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte ganzheitlich und zielgerichtet zu bearbeiten – von der Entwicklung und Optimierung der Prozesse über die Technologie-Beratung bis hin zur Prototypenfertigung.

Der Schwerpunkt unserer Forschungsaktivitäten im Bereich der Leichtbauproduktion liegt in der Entwicklung wirtschaftlicher Endbearbeitungsverfahren für moderne Leichtbauwerkstoffe. Nutzen Sie unsere Erfahrung! Gerne beraten wir Sie bei Fragen rund um die Zerspantechnologie.

 

Wasserstrahlschneiden faserverstärkter Kunststoffe

Im Anwendungsfeld faserverstärkter Kunststoffe für den Fahrzeugbau liegt unser Schwerpunkt  in der effizienten Endbearbeitung von FVK-Halbzeugen. Die Vorteile der Wasserstrahltechnologie, wie beispielsweise der »kalten Schnitt« und das hohe Trennvermögen von konventionell schwer bearbeitbaren Verbundmaterialen, integrieren wir in bestehende Prozessketten. Mit dem Werkzeug Wasserstrahl können vielseitige Aufgaben erfüllt werden – vom Schneiden über das Bohren bis hin zur Kantenbearbeitung. Mögliche Risiken einer Bauteilschädigung, z.B. durch Delamination beim Anstich, können durch Anpassung der Parameter oder durch mechanisches Vorbohren  vermieden werden. In unserer modernen 5-Achs Wasserstrahlanlage können komplexe 3D-Bauteile mit bis zu 6000 bar Systemdruck in einem Bearbeitungsraum von circa 2 m x 3 m x 0,5 m bearbeitet werden. Für den konkreten Anwendungsfall qualifizieren und charakterisieren wir das Potenzial der Technologie Wasserstrahl auch in klar abgegrenzten Machbarkeitsstudien.

Strukturüberwachung von Leichtbaukomponenten

Strukturveränderungen innerhalb von Leichtbaukomponenten zu messen war lange Zeit nur mit Ultraschall- oder tomografischen Verfahren möglich. Dabei spielen intakte Strukturen in vielen Bereichen der Industrie und sogar im Alltag eine oft lebenswichtige Rolle: Verborgene Defekte und unsichtbare Schäden gilt es frühzeitig aufzuspüren, um ein plötzliches Bauteilversagen und damit schwere Unfälle zu vermeiden.

Mit der optischen Frequenzbereichsreflektometrie lassen sich anhand optischer Fasern, die von Beginn an in CFK-Bauteile mit komplexen Geometrien und Faserlagen integriert werden, innere und äußere Schäden aufspüren. Die Messung von Dehnungs- und Temperaturänderungen unter der Oberfläche in kurzen, mittleren und langen Zeiträumen erlaubt es dann, unter realen Bedingungen ein Verständnis der Belastungen und Alterungserscheinungen der Struktur zu gewinnen und die Bauteile auf dieser Basis grundlegend zu verbessern.

Metallischer Leichtbau für die Automobilproduktion

Im Fahrzeugbau bedeutet Leichtbau nach wie vor die Verwendung von Leichtmetallen wie Aluminium und Magnesium oder von hochfesten Metallen wie Titanlegierungen. Spezifische Herausforderungen des metallischen Leichtbaus in der Prozessauslegung und -automatisierung sowie der Steigerung der Wirtschaftlichkeit bearbeiten wir in folgenden Bereichen:

Laserstrahlhartlöten von Aluminium und Stahl

Stark fokussierte Hochleistungslaser erreichen einen lokal eng begrenzten Wärmeeintrag, der für das Fügen von Bauteilen durch Schweißen oder Löten genutzt wird. Diese Laserstrahlfügeverfahren erlauben eine exzellente Regelung, Positionsgenauigkeit und sehr hohe Prozessgeschwindigkeiten bei minimalem thermischen Verzug. Wir entwickeln Fügetechnologien zur flexiblen Bearbeitung komplexer 3D-Geometrien in verschiedensten Anwendungsgebieten, von der Technologieentwicklung bis zur Implementierung in reale Fertigungsketten.

Beratung und Management

Mit unseren Kompetenzen im Qualitäts- und Technologiemanagement beraten wir unsere Kunden bei strategischen Fragen des Technologieeinsatzes und der nachhaltigen Technologieentwicklung. Dies umfasst beispielsweise die Unterstützung bei umfassenden Risiko- und Lebenszyklusanalysen oder bei der Ausrichtung der Technologiefrüherkennung und der strategischen Technologieplanung.

Qualität und Effizienz in der Produktionsorganisation

Effiziente Prozesse sind der Schlüssel zur wirtschaftlichen Fertigung von hohen Stückzahlen wie beispielsweise in der Automobilindustrie. Optimale Taktung, Digitalisierung und Synchronisation sowie die konsequente Vermeidung von Verschwendung bergen hier hohe Einsparpotentiale.

Wir gestalten und industrialisieren Prozesse mit einem übergreifenden unternehmerischen Qualitätsverständnis und unterstützen unsere Partner in Beratungs- und Forschungsprojekten auf dem Weg zu größerer Wettbewerbsfähigkeit.

 

 

Technologiemanagement

Ein durchdachtes Technologiemanagement ist ein bedeutender Erfolgsfaktor für technologieorientierte Unternehmen. Wer seine Technologien kundenorientiert entwickelt, einsetzt und substituiert, kann erfolgreich seine Wettbewerbsposition aufbauen und halten. Wir beraten unsere Kunden in allen Fragen des Technologiemanagements - von der Konzeption bis hin zur inhaltlichen Ausgestaltung der Strategien, Prozesse und Methoden eines maßgeschneiderten Technologiemanagements.