Leichtbau 3D-Hybrid-Bauweise bereit für die Großserie

In einem Projekt hat ein interdisziplinäres Team aus Industrie und Wissenschaft eine neuartige Leichtbau-A-Säule in 3D-Hybrid-Bauweise entwickelt. Das soll ein bedeutender Schritt hin zu leichteren Fahrzeugen für die E-Mobilität sein.

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Technische Universität Dresden Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik

Der Einsatz großserienfähiger Leichtbaulösungen stellt eine wesentliche Voraussetzung zum Erreichen der ambitionierten Elektromobilitätsziele dar. Mit der sogenannten 3D-Hybrid-Technologie – eine Verbindung aus hochfestem Stahl, endlosfaserverstärktem Thermoplast und faserverstärkter Thermoplast-Rippenstruktur – kann ein entscheidender Entwicklungsschritt zur Senkung des Fahrzeuggewichts und somit zur Reichweitenerhöhung beigetragen werden.

Bislang fehlten für die großserienfähige Fertigung solcher komplexer Hybridstrukturen jedoch geeignete Fertigungsprozesse mit hohem Automatisierungsgrad, die eine ausreichend hohe Bauteilqualität sicherstellen. Genau aus dieser Fragestellung ergab sich die Motivation für das Verbundvorhaben Q-Pro. Es ist der Forschungsplattform Forel zugeordnet und läuft unter Federführung der Porsche AG und des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden. Seit über zwei Jahren forscht das Projektteam unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude an neuen konstruktiven sowie fertigungstechnischen Lösungen für Faserverbund-Metall-Mischbauweisen.

Reduzierte Komponentenzahl

Gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren werden die Einzelkomponenten bei der 3D-Hybrid-Technologie bereits im Ur- bzw. Umformprozess der Einzelkomponenten miteinander gefügt. Für die Sicherstellung einer ausreichenden Verbindungsfestigkeit kommen spezielle Haftvermittler bzw. Klebstoffe zum Einsatz. Darüber hinaus werden Laserstrukturierungen auf der Metalloberfläche untersucht, die eine mikroformschlüssige Verbindung mit dem Kunststoff während des Fertigungsprozesses ermöglichen. Das Potential dieser Technologie kann an dem Projektdemonstrator einer Leichtbau-A-Säule für ein Cabrio eindrucksvoll aufgezeigt werden.

Gegenüber konventionellen A-Säulen kann durch die neue 3D-Hybrid-Bauweise die Komponentenanzahl der Baugruppe reduziert werden. Das Gewicht der Karosserie kann mit den neuartigen Hybrid-A-Säulen um mehr als 5 kg reduziert werden. Die Versuche haben darüber hinaus gezeigt, dass die Performance gegenüber der monolithischen Metallbauweise zusätzlich um 25 % gesteigert werden konnte. Der Einsatz der 3D-Hybrid-Technologie in weiteren Karosseriebaugruppen bietet, insbesondere bei Elektrofahrzeugen mit höherer Crashmasse und zusätzlichen Anforderungen bezüglich Batterieschutz, ein hohes Potential, das Gewicht der Karosserie zu reduzieren und dadurch die Reichweite zu erhöhen.

Vollautomatisierter Fertigungsprozess

Für die Fertigung der hybriden A-Säule haben die ILK-Forscher um Dr.-Ing. Michael Krahl einen vollautomatisierten Fertigungsprozess aufgebaut. Eine Besonderheit ist hier das integrierte Qualitätsüberwachungssystem. So werden z.B. über verschiedene Kameras die Positionen der Halbzeuge im Prozess überwacht. Pyrometer erfassen Temperaturen entlang der gesamten Prozesskette. Darüber hinaus werden eine Vielzahl von Prozessparametern aus den unterschiedlichen Maschinen (Presse, Infrarotheizfeld, Spritzgießmaschine) ausgelesen und in einer zentralen Datenbank erfasst. Unter Einsatz neuer statistischer Analysetools werden die Prozessdaten analysiert und die Parameter hinsichtlich einer reproduzierbaren Bauteilqualität angepasst.

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