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Leichtbau Hochbelastete CFK-Strukturteile kosteneffizient im Spritzguss fertigen

Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Thorsten Krumpholz, Philipp Land, Alexander Pluznikov, Jan-Marc Tiemann / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Durch die Kombination aus intelligenter Geometrieentwicklung und werkstoffgerechter Materialmodellierung ist es möglich, Strukturbauteile aus Kunststoff fertigungsgerecht zu designen und dennoch nahezu den gleichen Anforderungen eines Referenzbauteils aus Metall gerecht zu werden

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Bild 3: Vergleich des Spannungsniveau des Referenzbauteils mit dem optimierten Design; normiert auf die Fließspannung des Aluminiums.
Bild 3: Vergleich des Spannungsniveau des Referenzbauteils mit dem optimierten Design; normiert auf die Fließspannung des Aluminiums.
(Bild: HS Osnabrück)

Faserverbundkunststoffe bestimmen heute Leichtbaukonzepte in der Luft- und Raumfahrt, im Motorsport, bei Sportgeräten und in der Automobilindustrie [1, 2]. Durch hohe gewichtsspezifische Steifigkeiten und Festigkeiten in Faserrichtung [3] sowie lastpfadgerechte Konstruktion können Bauteile höchsten Anforderungen gerecht werden [4, 5].

Durch die langen Zykluszeiten von duroplastischen Verbundwerkstoffen, die aus dem Aushärteprozess resultieren bzw. durch die aufwändige Prozesstechnik und Designrestriktionen bei thermoplastischen Organoblechen, haben sich entsprechende Bauteile bisher überwiegend in Kleinserien durchgesetzt [6, 7].

Für Großserienanwendungen ist der Spritzgießprozess für Thermoplaste durch vor allem kurze Zykluszeiten viel interessanter. Mit den dort verwendeten kurz- und langfaserverstärkten Materialien ist es aufgrund der geringeren mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu endlosfaserverstärkten Kunststoffen [8] jedoch eine große Herausforderung, hochbelastete Strukturbauteile kosteneffizient zu entwickeln.

(Bild: HS Osnabrück)

Projekt substituiert Aluminium durch CFK

Dieser Herausforderung hat sich ein Projektkonsortium rund um die Hochschule Osnabrück angenommen. Ziel ist es, eine aus Aluminium hergestellte Federbeinaufnahme (Bild 1), welche beispielhaft für ein hochbelastetes Strukturbauteil in einer Großserienanwendung steht, durch langkohlefaserverstärkten Polyamid zu substituieren.

Über das Projekt Light Connect

Das Forschungsprojekt Light Connect beschäftigt sich mit der Substitution von metallischen Komponenten durch faserverstärkte Kunststoffe. Ein Fokus des Vorhabens liegt auf tragenden, höher belasteten Bauteilen im PKW. Als repräsentatives Referenzbauteil dient eine Aluminium- Federbeinaufnahme eines Serienfahrzeuges.

Projektpartner sind die Boge Elastmetall GmbH, die Ems-Chemie AG (Schweiz), die Volkswagen Osnabrück GmbH, das Fraunhofer Institut für Werkzeugmechanik und Arirbus Industries Innovation Works Ottobrun.

Weitere Infos zu Light Connect.

Um den Anforderungen gerecht zu werden, liegt der Fokus des Forschungsprojektes in einer Kombination aus intelligenter Geometrieentwicklung in Verknüpfung mit werkstoffgerechten Struktursimulationen. Die Schwerpunkte an der Hochschule Osnabrück liegen hierbei in den Bereichen Kunststoffverarbeitung und Integrative Simulation (Prof. Thorsten Krumpholz, Philipp Land), Werkstoffdesign und Betriebsfestigkeit (Prof. Viktor Prediger, Alexander Pluznikov) sowie der Materialcharakterisierung (Javad Mola, Jan-Marc Tiemann).

Topologieoptimierung ist Ausgangspunkt

Die Designentwicklung der Federbeinaufnahme aus Kunststoff, welche neben 21 statischen Lastfällen auch Lebensdaueranforderungen mit drei verschiedenen Laststufen standhalten muss, ist hierbei in verschiedenen Stufen abgelaufen (Bild 2). Auf Basis der CAD-Daten zum Serienfahrzeug vom Projektpartner Volkswagen Osnabrück GmbH wurde ausgehend von der Aluminium-Federbeinaufnahme (Bild 2a) ein Bauraummodell entwickelt (Bild 2b), das als Designraum zur Topologieoptimierung dient.

In einer ersten Optimierungsstufe mit der Software Tosca Structure von Dassault Systèmes wurden 13 der 21 statischen Lastfälle in einem Viertelfahrzeug-Simulationsmodell berücksichtigt. Ziel war die Maximierung der Steifigkeit bei einem vorgegebenen reduzierten Volumen, wodurch die Hauptlastpfade der Federbeinaufnahme identifiziert werden konnten (Bild 2c.).

Das Ergebnis der ersten Topologieoptimierung zeigt auch die Herausforderungen bei diesem Strukturbauteil auf:

  • Durch extrem hohe Lasten im Bereich der Lageraufnahme kommt es zu großen Materialanhäufungen (Wanddicken im Bereich von 30 mm), die für Spritzgießbauteile aufgrund von langen Zykluszeiten, Verzug und Lunkern nicht umsetzbar sind.
  • Ferner zeigen sich viele Aussparungen im restlichen Bereich der Federbeinaufnahme. Diese sind für das Leichtbaupotenzial des Bauteils generell positiv, führen jedoch zu Bindenähten und damit zu möglichen Schwachstellen [9].

Bild 2: Entwicklungsstufen der Federbeinaufnahme aus Kunststoff: Entwicklung des Bauraummodells (b) aus dem Referenzbauteil (a), 1. Topologieoptimierung (c), Optimierung der Geometrie (d), 2. Topologieoptimierung (e)
Bild 2: Entwicklungsstufen der Federbeinaufnahme aus Kunststoff: Entwicklung des Bauraummodells (b) aus dem Referenzbauteil (a), 1. Topologieoptimierung (c), Optimierung der Geometrie (d), 2. Topologieoptimierung (e)
(Bild: HS Osnabrück)

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