Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »fabulous«
Effizientere Motoren sparen Energie durch Leichtbaumaterialien
Die Elektromobilität gewinnt als emissionsarme Antriebstechnologie an Bedeutung für die nachhaltige Gesellschaft. Auch die Produktion von Elektromotoren gilt es dabei zu optimieren, um Produktqualität und Umweltbilanz zu verbessern. Im Forschungsprojekt »fabulous« sollten neue Leichtbaumaterialien dazu beitragen, das Gewicht von Elektromotoren zu reduzieren. Durch den Einsatz der neuen Werkstoffe stieg die Effizienz der Motoren und der Schadstoffausstoß der Mobilität sank. Herkömmliche thermoplastische faserverstärkte Kunststoffe, die über die erforderlichen Materialeigenschaften verfügen, waren jedoch für den Einsatz in der industriellen Großserie zu kostenintensiv. Die Partner im Projekt entwickelten deshalb neue Materialien zur Herstellung von Rotorkomponenten, die für die automobile Produktion kostengünstiger und qualitativ tauglich waren.
Neue Faserverbundkunstoffe für beständige Leichtbaukomponenten
Das »fabulous«-Projekt sollte aufzeigen, dass sich die Effizienz elektrischer Antriebe unter Einsatz neuer Materialen für den Rotor eines Elektromotors verbessern lässt. Rotorkomponenten mussten starken Belastungen durch Temperatur und Chemikalien wie Ölen standhalten und daher über eine hohe Medienbeständigkeit verfügen. Die Projektpartner entwickelten dafür eine neue Kunststoffzusammensetzung auf Basis von aliphatischen und teilaromatischen Polyamiden (PPA). Dieser sogenannte PPA-Compound verfügte über eine hohe Temperatur- und Medienbeständigkeit und diente als Matrixwerkstoff für faserverstärkte undirektionale (UD) Tapes, die im Projekt entwickelt wurden. Daraus liessen sich dann Bauteile herstellen, die die bisherigen schweren metallischen Komponenten in Teilen oder vollständig ersetzten. Die UD-Tapes wurden in einem automatisierten Tapelegeverfahren zu sogenannten »Tailored Composite Blanks« verarbeitet. Diese Tapegelege wurden in Formgebungungs- und Fügeprozessen, wie dem Hinterspritzen, die ebenfalls im Projekt entwickelt wurden, zu einem Hybridbauteil aus faserverstärktem Kunststoff mit rein thermoplastischen Strukturen und metallischen Komponenten weiterverarbeitet. Dabei fand der Fügeprozess mit den metallischen Komponenten hauptzeitparallel statt. Zur Qualitätssicherung im laufenden Prozess diente eine sensorgestützte Prozessüberwachung, die Prozessrobustheit sicherstellte und die Ausschussrate verringerte.
Fertigungstechnik für hybride Bauteile
Die Prozesskette, die im Projekt entwickelt wurde, deckt alle Fertigungsschritte von der Tapeherstellung bis zum finalen Elektromotor ab. Das Fraunhofer IPT vernetzte dafür die Prozess- und Qualitätsdaten dieser Prozesskette. Durch eine Rückführung der Daten in die einzelnen Teilprozesse, konnten diese im Kontext der Gesamtprozesskette analysiert werden, wodurch die Teilprozesse aufeinander abgestimmt wurden. Dadurch konnte die Produktqualität verbessert, die Prozessrobustheit erhöht und die Ausschussrate reduziert werden. Zusätzlich entwickelte das Fraunhofer IPT die eigene System- und Prozesstechnik weiter, sodass die neuen UD-Tapes verarbeitet und mit metallischen Komponenten gefügt werden konnten. Sowohl Prozesse zur Verarbeitung der neuen Faserverbundkunststoffe als auch der automatisierte Prozess zum Fügen der metallischen Komponenten mit den Tapegelegen sollte später als Grundlage für weiterführende Arbeiten im Bereich hybrider Materialkombinationen dienen, die für funktionalisierte Bauteile verwendet werden konnten.
Konsortium
- AKRO-PLASTIC GmbH, Niederzissen
- CirComp GmbH (Konsortialführer), Kaiserslautern
- FEV Europe GmbH, Aachen
- FKT Formenbau und Kunststofftechnik GmbH, Triptis
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
- Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt
- Gubesch Thermoforming GmbH, Wilhelmsdorf
- M.TEC GmbH, Herzogenrath
- SURAGUS GmbH, Dresden
Funktionsintegrierte Antriebskomponenten für die Elektromobilität
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