AMC-Revolution xFK in 3D Noch größere Freiheiten für FVK-Teile-Designer

Autor / Redakteur: Peter Fassbaender / Peter Königsreuther

Der Leichtbausektor, zu dem auch Compositestrukturen gehören, gilt als Lösungsansatz für die Energie- und Ressourcenschonung. Faserverstärkte Kunststoffteile (FVK) sind jedoch in den meisten Fällen deutlich aufwendiger in der Herstellung als herkömmliche Komponenten. Ein materialflexibles Faserablageverfahren kann diesem Problem jetzt effektiv die Stirn bieten.

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CFK-Profile können mit einem neuartigen Legeverfahren namens xFK in 3D von AMC jetzt in drei Dimensionen gewickelt werden. Hier ein 27 g wiegendes Funktionsmuster, das mehr als 1,6 t Zuglast tragen kann.
CFK-Profile können mit einem neuartigen Legeverfahren namens xFK in 3D von AMC jetzt in drei Dimensionen gewickelt werden. Hier ein 27 g wiegendes Funktionsmuster, das mehr als 1,6 t Zuglast tragen kann.
(Bild: AMC)

Umwelt- und Klimaschutz, Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit sind zu wesentlichen sozialen, ethischen und gesellschaftspolitischen Herausforderungen dieses Jahrhunderts geworden, welchen sich auch die Mobilitätsindustrie verantwortungsbewusst und zielorientiert zu stellen hat. Vor dem Hintergrund der bestehenden und künftigen internationalen Emissionslimits, einer immer fragileren Energieversorgung und einem erhöhten Umweltbewusstsein der Bevölkerung steht insbesondere auch die Automobilindustrie vor der vordergründigen Aufgabe, durch konkrete Maßnahmen zum Umwelt- und Klimaschutz beizutragen. So stehen Niedrigenergie- und Niedrigemissionsfahrzeuge im Fokus der gesamten hiesigen Mobilitätsbranche.

Das Kernziel heißt sinnvolle Systemintegration

Daraus resultierend gewinnt neben unterschiedlichen alternativen Antriebstechnologien auch der integrative Leichtbau als Schlüsseltechnologie zunehmend an Bedeutung, da dieser den konventionellen Otto- und Dieselmotoren, unterschiedlichen Hybridkonzepten und der Elektromobilität gleichermaßen dient. Die kinetische Energie errechnet sich bekanntermaßen anhand der Formel ½ × m × v², und so liefert schon die Physik ein wesentliches Leichtbauargument im Sinne der Nachhaltigkeit.

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Im Spannungsfeld aus Konzept-, Werkstoff-, Fertigungs- und Funktionsleichtbau kommen bereits heute diverse „Multimateriallösungen“ zum Einsatz, die zu einer sukzessiven Gewichtsreduktion im Fahrzeugbau führen. Im Rahmen der Entwicklung solcher Hybrid- und Mischbaukonzepte werden nun auch für Serienanwendungen kleiner und mittlerer Stückzahlen verstärkt unterschiedliche Faserverbundtechnologien eingesetzt, wobei die jahrzehntealte Expertise aus Luft- und Raumfahrt, des Motorsports sowie vielen weiteren angrenzenden Branchen gezielt genutzt wird. Kernziel ist dabei stets eine wirtschaftliche Systemintegration in unterschiedlichen Fahrzeugmodulen, die funktionale Verbindungstechnologien zwingend erforderlich macht. Darin liegt bis heute eine wesentliche Herausforderung im industriellen Einsatz von Faserverbundtechnologien.

Bionische Ansätze erweitern die Machbarkeitsgrenzen

Der Industrialisierungsgrad von Faserverbundtechnologien wie Faserpressen, Tape-Legen, Resin Transfer Molding (RTM) und Pultrusion nimmt stetig zu, sodass mittlerweile auch hoch belastete Strukturbauteile als faserverstärkte Kunststoffkomponenten vorgesehen werden können. Denn wenn die Glas-, Kohle-, Basalt,...-fasern (GFK, CFK, BFK,...xFK) von Verbundwerkstoffen nach den gewünschten Bauteilfunktionen ausgerichtet und dreidimensional gewickelt werden (xFK in 3D), entstehen räumliche Strukturbauteile hoher Intelligenz und in ultraleichter Form – die Fasern können stärkenkonform eingesetzt werden, da Faserrichtung, Faserstärke und Harzmatrix bauteilspezifisch einstellbar sind. Voraussetzung hierfür sind neue, innovative Auslegungsmethoden – Finite-Elemente-Analysen definieren den (virtuellen) Produktentstehungsprozess.

Durch bionische Faserverbundlösungen ergeben sich im integrativen automobilen Leichtbau völlig neue Möglichkeiten, Bauteile lastfallgerecht zu entwickeln und zu produzieren – und dies in genial einfacher Art und Weise. Dieser Mehrwert entsteht für unzählige Strukturbauteile des Karosserie- beziehungsweise Fahrzeugaufbaus, Fahrwerks und Antriebsstrangs genauso wie für Interieur- und Exterieurkomponenten.

Die freie geometrische Auslegung der Faserstränge und die gezielte Faserablage nur da, wo es erforderlich ist, ermöglichen eine enorme Flexibilität und hohe konstruktive Freiheitsgrade für unterschiedlichste Strukturbauteile. Durch die präzise Faserablage gemäß der real auftretenden Lastpfade und -kollektiven entstehen materialoptimierte Faserverbundbauteile mit minimalem Verschnitt. Durch das gute Verhältnis von Dichte und Elastizitätsmodul ergibt sich zudem ein hohes Gewichtseinsparungspotenzial.

Neuartiges additives Verfahren wickelt Fasern aller Art

Bei der Entwicklung von xFK in 3D wurden viele Anleihen nach dem Vorbild der Natur genommen. xFK in 3D ist ein wachsendes, additives Fertigungsverfahren, das als Paradigma für künftige industrielle Prozesse steht: Topologieoptimierte Bauteile kennzeichnen dabei die patentierte Prozesstechnologie xFK in 3D. Die hochinnovative Prozesstechnologie xFK in 3D als neuartiges Verfahren zum Wickeln von Bauteilen aus Fasern mit ihrer anwendungsnahen Integrationsmöglichkeit für unterschiedlichste Komponenten stellt im integrativen Leichtbau der Zukunft eine wesentliche Schlüsseltechnologie zur signifikanten Gewichtsreduktion dar.

In der Mobilitätsindustrie – und nicht nur dort – wird derzeit viel von „virtuellen“ Entwicklungsprozessketten gesprochen, die die Effizienz im gesamten Produktentstehungsprozess erhöhen: Die Digitalisierung der Produktentstehung steht im Fokus der Automobilindustrie. Richtiger – statt Digitalisierung – ist wohl die gezielte Vernetzung der industriellen Strukturen im Allgemeinen und eine wirksame Vernetzung von effizienten und effektiven Softwareanwendungen im Besonderen, die im heutigen Entstehungsprozess eines Automobils zum Einsatz kommen. Also von der Idee und dem Konzept über die (simulative) Entwicklung und Erprobung bis zur Fertigung des Bauteils.

Auch für nicht rotationssymmetrische Teile

Und genau an dieser Stelle setzt xFK in 3D-Leichtbau für Strukturbauteile an, weil der Produktentstehungsprozess mit diesem neuartigen Verfahren beschleunigt wird. Dabei gibt die Berechnung respektive Simulation den gesamten Entwicklungsprozess vor – das Verfahren xFK in 3D ermöglicht folglich einen virtuellen Konzeptionsprozess, sofern die Lastkollektive der Bauteile und Komponenten bekannt sind – die simulative Auslegungsmethodik definiert den gesamten Produktentstehungsprozess. Bei der neuen Prozesstechnologie xFK in 3D handelt es sich grundsätzlich um ein recht einfaches Prinzip, nach dem auch nicht rotationssymmetrische Bauteile lastfallgerecht, dreidimensional und in ultraleichter Art und Weise (Hohlräume zwischen den Fasersträngen) hergestellt werden können.

Bei der innovativen Technologie xFK stellen sich die besonderen Innovationsmerkmale so dar:

  • freie geometrische Auslegung (in x, y, z) sowie die maximale Flexibilität und konstruktive Freiheitsgrade sind auch bei relativ kleine Radien möglich, und das für unterschiedlichste Komponenten und Anwendungen (auch für Strukturbauteile);
  • exakte Kraft- und Spannungsaufnahmen durch gezielte Faserablage (nur wo es erforderlich ist);
  • mehrachsige, auch dynamische Lastkollektive (Zug, Druck, Biegung, Torsion) sind machbar;
  • hochwertige technische Lösung durch optimierten Werkstoffeinsatz;
  • Materialoptimierung durch minimalen Verschnitt durch die präzise Faserablage gemäß definierter Lastpfade und real auftretender Lastkollektive;
  • vereinfachte Auslegungsprämissen für Bauteile und Systeme – Komplexitätsreduktion bei Entwicklung und Produktion (integrierte Verbindungstechnik ist stets möglich);
  • gutes Dichte/E-Modul-Verhältnis und deshalb ein hohes Gewichtseinsparungspotenzial im Hinblick auf den Ultraleichtbau.

Ein entscheidender Mehrwert der Prozesstechnologie liegt in der grundsätzlichen Möglichkeit, durch innovative Finite-Elemente-Methoden den gesamten Produktentstehungsprozess signifikant zu beschleunigen (CAE, CAD, CAM). Die virtuelle Entwicklungsarbeit zu Beginn des Produktentstehungsprozesses führt zu einer beherrschbaren technologischen Industrialisierung.

So urteilen Experten aus der Forschung

Prof. Dr. Eyerer, Institutsleiter des Fraunhofer-ICT sowie des Instituts für Kraftstoffkunde und Kraftstoffprüfung (IPK), beschreibt das Potenzial von xFK in 3D so: „Bei dem Verfahren handelt es sich um eine sehr einfache, günstige, hochflexible, nachhaltige und nahezu beliebig räumlich gestaltbare Faserverarbeitungstechnologie.“ Ein Faser-Roving gewünschter Stärke und Länge wird dabei mit Epoxidharz getränkt und über eine Ablegevorrichtung per Roboter zu einem Bauteil gelegt. Die freie geometrische Auslegung ist bei den meisten Anwendungsfällen im Maschinenbau, der Automobiltechnik oder in anderen Einsatzgebieten gegeben. „Die Fasern liegen reproduzierbar ideal in Spannungsrichtung. Es werden nur die Fasern benötigt, welche im Bauteil Kräfte übertragen“, betont Eyerer. Es gibt außerdem keinen Verschnitt.

In Hybridlösungen wird die Verbindungstechnik durch optimierten, fasergerechten Formschluss reproduzierbar erzielt. Ein besonderer Fügevorgang findet nicht statt, denn die getränkten Faserstränge verbinden sich von selbst miteinander und härten zum fertigen Bauteil aus. Änderungsschleifen und Varianten sind durch nicht vorhandene geschlossene Formen zeitnah und günstig machbar. Teure Werkzeugformen entfallen für viele Anwendungen.

Mit diesem Verfahren, so Eyerer, werden die Werkstoffkennwerte der Fasern optimal in Bauteile eingebracht. Die physikalischen Eigenschaften der Fasern spiegeln sich in den Bauteilen direkt wider. Der Forscher: „xFK in 3D wird meiner Meinung nach völlig neue Potenziale (technisch, wirtschaftlich, umweltlich und sozial) im Leichtbau erschließen.“

Eine Marktpotenzialanalyse und Technologiestudie zu „CFK-Profilen in 3D-Flecht- und Wickelverfahren“, die von der AMC in Kooperation mit Voith Composites, Tecosim sowie CFK Valley und Carbon Composites durchgeführt wurde, hat unter anderem zu folgenden Ergebnissen bei der entwicklungsbezogenen Zeit und Kosteneffizienz geführt:

  • „Frontloading“ in der lastfallpräzisen FE-Simulation (virtuelle Auslegung durch innovative Finite-Elemente-Analysen);
  • topologisch optimierte belastungsgerechte einfache Geometrien (kraft-spannungs-optimiert);
  • parametrisierte Formulierung der Bauteilfertigung (Faserausrichtung, Lagenaufbau);
  • vereinfachte Prototypenfertigung (geringe Werkzeugkosten im realitätsnahen Prototyping).

Was die Produktion betrifft, schlagen diese Vorteile in Sachen Kosten- und Zeitfaktor positiv zu Buche:

  • einfache Serienwerkzeuge (vor allem auch für kleine und mittlere Stückzahlen);
  • geringerer Werkzeugänderungsaufwand (einfache „Re-Programmierung“ des Werkstückträgers = Bauteilwerkzeug, Prüfvorrichtungen im Qualitätswesen);
  • hohe Flexibilität in der Automatisierung („Program Readiness“ durch „Motion teach“);
  • präzise formulierbare Qualitätssicherungsmaßnahmen (Reproduzierbarkeit) und Implementierung.

Egal welche Verstärkungsfasern genutzt werden sollen, die Wirksamkeit der innovativen Prozesstechnologie xFK in 3D ist bewiesenermaßen stets gegeben. Damit leistet xFK in 3D einen ebenso konkreten wie wirksamen Beitrag zur Ressourcenschonung, zum Umwelt- und Klimaschutz, zur Nachhaltigkeit – und zwar über den gesamten Produktlebenszyklus. Denn wenn die diversen Fasern von Verbundwerkstoffen nach den gewünschten Bauteilfunktionen ausgerichtet und (das gilt auch für nicht rotationssymmetrische Bauteile) dreidimensional gewickelt werden, entstehen smarte sowie belastungsfähige, bei Bedarf ultraleichte Strukturbauteile. Das funktioniert auch im Hinblick auf Hybrid- und Mischbauweise. Die neueste Ultraleichtbau-Erfindung ist ein xFK-in-3D-optimierter Fahrrad-Flaschenhalter, der bereits über 3000 Abnehmer gefunden hat. MM

* Peter Fassbaender ist Technologieberater und Spezialist für xFK in 3D-Verfahren bei der Automotive Management Consulting GmbH in 82377 Penzberg, Tel. (0 88 56) 8 05 48-50, info@automotive-management-consulting.com, www.automotive-management-consulting.com

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