Jedes eingesparte Kilogramm Gewicht bedeutet im Fahrzeugbau einen geringeren Kraftstoffverbrauch und damit weniger CO2-Emissionen. Um dieses Ziel zu erreichen, setzen die Hersteller verstärkt Komponenten aus endlosfaserverstärkten Kompositen ein. Dabei gelten hohe Anforderungen: Optimale Steifig- und Festigkeit steht ebenso im Pflichtenheft wie ein zuverlässiger Betrieb des Bauteils. Ebenso bedeutsam sind wirtschaftliche Aspekte, um die Kosten von neuartigen Leichtbauprodukten im Rahmen zu halten.

Diesen Herausforderungen stellte sich jetzt ein Spezialisten-Team von Ticona, das Geschäft mit den technischen Kunststoffen der Celanese Corporation, das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) und das Engineeringunternehmen EDAG. Ziel war die Konzeption und prototypische Darstellung am Beispiel eines Verstärkungsrahmens für eine gewichtsoptimierte Nutzfahrzeug-Staufachklappe aus neuartigen Werkstoffen mit Hilfe der innovativen Technologie des thermoplastischen Tape-Legens bei optimaler Ausnutzung der materialspezifischen Eigenschaften.

Außerdem wollten die Entwickler in gemeinsamer Zusammenarbeit zeigen, dass nicht nur sehr kostenintensive High-End-Leichtbauwerkstoffe Leichtbaupotenzial aufweisen, sondern auch preiswerte Matrix- und Faserwerkstoffe, vorausgesetzt, man bedient sich innovativer Herstellverfahren.

Für das Verstärkungs-Inlay der Klappe wurden Polypropylen (PP) als Matrixwerkstoff und unidirektional orientierte Glasfasern (UD-GF) als Verstärkungsfasern in Form von so genannten UD-Tapes eingesetzt. "Wir haben die anisotropen Eigenschaften hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit konsequent ausgenutzt und konnten so mit Hilfe einer CAE-gestützten Bauteilauslegung Material und damit Gewicht einsparen", erläutert Michael Begert, Innovationsmanager im Competence Center Leichtbau bei EDAG. "Erreichen konnten wir dies durch eine, gemäß den bauteilspezifischen Anforderungen, optimierte und lastpfadgerechte Ausrichtung der UD-Tapes in Form eines mehrschichtigen Geleges", ergänzt Tobias Joppich (Polymer Engineering) vom Fraunhofer ICT.

Die Vorgehensweise erläutert sein ICT-Kollege Sebastian Baumgärtner: "Durch Abwicklung der im 3D-Raum optimierten Struktur in die 2D-Ebene konnten wir mit Hilfe einer Tape-Legemaschine im ersten Prozessschritt ein flächiges Gelege erzeugen, das nach thermischer Konsolidierung als bauteiloptimiertes Halbzeug weiterverarbeitet werden kann."

Besitzen Bauteile, wie das vorliegende Verstärkungs-Inlay, eine rahmenartige Struktur, liegt in diesem Schritt ein signifikantes Material-Einsparpotenzial vor. Denn bei diesem Prozess wird nur in denjenigen Bauteilbereichen UD-Tape abgelegt, an denen es auch gebraucht wird. Somit wird die Verschnittmenge, je nach Bauteilgeometrie, weitgehend reduziert.

"Im nachgeschalteten thermoplastischen Umformprozess wird dann das konsolidierte Gelege in einem Infrarotheizfeld bis in den Schmelzbereich des Matrixwerkstoffs erwärmt und anschließend in einem Werkzeug zum Strukturbauteil umgeformt", erklärt Manfred Reif, Application Development Engineer Composites bei Ticona, die weiteren Prozessschritte. "Wasserstrahlschneider besäumen in diesem Fall das Faserverbundbauteil und bringen Montage- und Funktionsöffnungen ein. Anschließend wird bei der Endmontage durch Rollfalzen die Stahlaußenhaut mit der Komposite-Struktur verbunden."

Erfreuliches Fazit: Gegenüber einer heute üblichen Stahlbauweise konnte am demonstrierten Bauteil deutlich Gewicht eingespart werden. Dank geringer Werkzeugkosten, lastgerechter Bauteilauslegung, gezielter Materialeinsatzminimierung und der Entscheidung für die vergleichsweise preiswerte Werkstoffkombination PP-GF70 konnte eine auch für Kleinserienproduktionen wirtschaftliche Lösung gefunden werden.

Die Nutzfahrzeug-Staufachklappe wird auf der K 2013 am Stand der Ticona vorgestellt.

Weitere Informationen:
www.ticona.com, www.ict.fraunhofer.de, www.edag.de

K 2013, 16.-23.10.2013, Düsseldorf, Halle 6, Stand A07/B07

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