Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Leichtbau ist für die Autoindustrie ein entscheidender Schlüssel, um den Treibstoffverbrauch von Fahrzeugen und damit die Emissionen zu reduzieren. Faserverbund-Kunststoffteile (FVK) spielen dabei in verschiedenen Einsatzbereichen eine wichtige Rolle: Sie sind mindestens genauso robust wie Bauteile aus Metall, aber deutlich leichter. Gemeinsam mit der IFC Composite GmbH arbeitet das Fraunhofer IMWS daran, die Lebensdauer solcher großen FVK-Bauteile zu verbessern. Denn vor allem bei großen und komplex gestalteten Kunststoff-Bauteilen sind Herstellung und Qualitätskontrolle oft noch sehr aufwändig.
»FVK Lifetime« heißt das bis Ende August 2018 laufende Projekt – und damit ist die zentrale Zielsetzung benannt: Die Lebensdauer von Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) soll gesteigert werden. FVK sind ein vielseitig einsetzbarer, innovativer Leichtbauwerkstoff: Fasern mit einer sehr hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit werden in ein relativ elastisches Kunststoffmaterial eingebettet. Dadurch entsteht ein Materialverbund, der äußerst stabil und robust ist – und zugleich sehr leicht.
Vor allem die Herstellung großvolumiger Faserverbund-Kunststoffteile mit einer sehr komplexen Geometrie – etwa Blattfedern, die eine zentrale Rolle für die Federung des Fahrwerks spielen – ist derzeit allerdings noch sehr aufwendig. Dabei bieten solche Bauteile besonders großes Potenzial für eine Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs: Blattfedern werden derzeit meist aus Stahl hergestellt, bei einem Kleintransporter wiegt eine Feder circa 25 Kilogramm, bei einer Zugmaschine für besonders schwere Lkw sogar 60 Kilogramm. Hier auf Lösungen aus Kunststoff zu setzen, hätte einen enormen Effekt: Hundert Kilogramm Gewichtseinsparung bedeuten etwa fünf Prozent weniger Kraftstoffverbrauch.
Die komplexe Architektur von Blattfedern und anderen großvolumigen Bauteilen aus Faserverbund-Kunststoffen macht zum einen den Herstellungsprozess anspruchsvoller, zum anderen aber auch die Qualitätskontrolle. Sind Schadstellen entstanden, wie es bei jeder Verarbeitungstechnologie passieren kann, bei der das Material entsprechenden thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt ist? Sind die Verstärkungsfasern im Kunststoff richtig verteilt? Sind sie in der gewünschten Richtung ausgerichtet, damit das Bauteil die entsprechende Last über seine gesamte Lebensdauer tragen kann? Um solche Fragen zu beantworten und den Herstellungsprozess dann entsprechend anpassen zu können, sind derzeit sehr viele Schritte notwendig.
Die Projektpartner wollen hier für schnellere, günstigere und zuverlässigere Lösungen sorgen, die es möglich machen, den genauen Ablauf der chemischen Vernetzung, die tatsächliche Ausrichtung der Fasern und damit mögliche Schadstellen und ihre Auswirkungen auf die sicherheitsrelevanten Eigenschaften des Bauteils vorauszusagen.
In einer hochmodernen Röntgen-CT-Anlage am Fraunhofer IMWS werden die Daten zum Faserverlauf während des Herstellungsprozesses analysiert, sodass ein besseres Verständnis der auftretenden Wechselwirkungen möglich wird. Darauf aufbauend entwickeln die Partner Berechnungs- und Simulationsmethoden, die für Hersteller entscheidende Vorteile im Hinblick auf Prozesssicherheit und Bauteilqualität bieten. Damit könnten neue Anwendungsfelder für Faserverbund-Kunststoffe eröffnet und die Entwicklungszeiten für neue Produkte verkürzt werden.