Leichtbau Carbonfaserverstärkte Antriebswellen schützen das Klima

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Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung

Murtfeldt Kunststoffe GmbH & Co. KG

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Mit leichten Antriebswellen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) lassen sich klimaschädliche Emissionen senken, sagen Forscher des Fraunhofer IAP. Wir zeigen, was hinter der Forschung steckt.

Composites wie CFK und GFK (glasfaserverstärkte Kunststoffe) gehören zum Leichtbau und sparen deshalb Ressourcen. Doch oft sind die Verstärkungsfasern in eine duromere (nicht mehr schmelzbare) Kunststoffmatrix eingebettet. Das hat nach Aussage von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP Nachteile. Deshalb entwickeln sie mit Partnern ein neuartiges, noch leichteres Antriebs- und Seitenwellensystem für Pkw und Lkw, dessen Matrix aus thermoplastischen Kunststoffen besteht. Diese brächten einen zusätzlichen Gewichtsvorteil. Auch sind sie wegen der wieder aufschmelzbaren Kunststoffmatrix relativ gut zu recyceln.

Nicht zuletzt seien mit Blick auf die Mobilitätswende signifikante Anstrengungen nötig, um klimaschädliche Emissionen weiter zu reduzieren. Antriebswellen aus faserverstärkten Kunststoffen können dabei durch ihr geringes Gewicht den Treibstoffverbrauch von Fahrzeugen verringern. So tragen die Leichtbaumaterialien dazu bei, Umweltbelastungen zu senken. In Pkw und in Lkw übertragen bis heute Wellen die Kraft vom Getriebe auf die Räder, wobei sie hohen Belastungen ausgesetzt sind. Wellen werde dabei meist als mehrteilige Gelenkwellen aus Stahl-, Aluminium oder Titanlegierungen hergestellt, die entsprechend Gewicht auf die Waage bringen.

CFK-Antriebswelle mit thermoplastischer Matrix senkt Treibstoffverbrauch

Die bisherigen CFK-Wellen mit duromerer Matrix (auch duroplastisch genannt) sind durch ihre geringere Dichte und weniger erforderliche Lagerstellen um etwa 60 Prozent leichter als ihre metallischen Pendants. Sie zeichnen außerdem sich durch bessere mechanische Eigenschaften aus. Trotzdem ließen sie sich in puncto Gewicht und Recycelbarkeit durchaus zu wünschen übrig. Um das Verbesserungspotenzial auszuschöpfen, widmet sich das IAP diesem Problem mit dem „Zentrum für nachhaltige Leichtbautechnologien“ („ZenaLeb“), einer Projektgruppe des Forschungsbereichs Polymermaterialien und Composite „Pyco“ am Fraunhofer IAP, gemeinsam mit Partnern aus der Industrie. Zunächst soll eine gewickelte Antriebs- und Seitenwellen mit duroplastischer Matrix optimiert werden. Im zweiten Schritt wird dann eine Wellen mit thermoplastischer Matrix aufgebaut, wie es weiter heißt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert übrigens das Vorhaben.

Antriebswellen mit duroplastischer Matrix werden derzeit durch das sogenannte Filament Winding produziert. Bei diesem Herstellungsverfahren werden mit Harz getränkte Filamente unter Spannung um eine rotierende Achse gewickelt und in einem weiteren Schritt thermisch ausgehärtet. Die geplanten thermoplastischen Antriebs- und Seitenwellen hingegen werden per „Automated Fiber Placement“-Technik (AFP) hergestellt. Bei der AFP-Technologie werden Prepregs, also mit Matrix vorimprägnierte Carbonfaserbänder, durch die Energie eines Laserstrahls erhitzt und anschließend per Roboter automatisch auf einer sich rotierenden Achse abgelegt, erklären die Experten. Zusätzliche Energie zur Aushärtung ist nicht notwendig, weil die thermoplastische Matrix von sich aus abkühlt und fest wird.

CFK-Antriebswellen wiegen weniger als die Hälfte der Stahlvarianten

Zu den weitere Vorteilen des gewählten AFP-Herstellprozesses für Leichtbauwellen zählt, dass die Carbonfaserbänder während des Vorgangs abgeschnitten und an anderen Stellen abgelegt werden können, wodurch sich neue Winkel, Wickelmuster und Formen erreichen lassen. Die Antriebswellen lassen sich also frei umwickeln, betonen die Forscher. Im Gegensatz zum Filament Winding sei man nicht an vorgegebene Wickelmuster gebunden, was zu einem besseren Leichtbaugrad im Vergleich zu den aktuellen duroplastischen Bauweisen führe. So könne der Kraftstoffverbrauch während der Nutzungsphase eines Fahrzeugs gemäß Berechnungen des Fraunhofer IAP um 0,3 Prozent gesenkt und die Treibhausgasemissionen für neu zugelassene Pkw und Lkw in Deutschland beträchtlich reduziert werden. Im Vergleich zu stählernen Antriebswellen sei sogar eine Einsparung des Gewichts über 65 Prozent möglich. Das Ziel ist es jetzt, das Fertigungskonzept für eine großserientaugliche Herstellung umzusetzen.

Ganzheitliche digitale Überwachung des Produktlebenszyklus

Um die komplette Prozesskette nachverfolgen und so den Kohlendioxid-Fußabdruck senken zu können, soll der Produktlebenszyklus von der Herstellung des Grundwerkstoffs bis hin zum Recycling durch integrierte Sensorik abgebildet und überwacht werden, merken die IAP-Forscher noch an. Dazu werden faseroptische Sensoren und Dehnungsmessstreifen in die Antriebswellen einlaminiert, wofür auch die Fertigungsanlagen entsprechend ausgerüstet werden. Die Prepregs sind im Übrigen bereits mit einem QR-Code versehen, der Auskunft über die verwendete Faser sowie das Matrixsystem gibt. Das sei entscheidend für das sachgemäße Recycling am Ende der Produktlebensdauer.

Durch die Integration von „Product Branding“-Konzepten und Sensorsystemen ließe sich die Herstellung der neuen Wellen ökologisch bewerten und der erforderliche Energie- und Ressourcenverbrauch ermitteln. Digitalisierungs- und Simulationstools in Form eines digitalen Zwillings unterstützen den Optimierungsprozess sowie die Qualitätssicherung. Sie ermöglichten die Steigerung des Leichtbaugrads. Mit geeigneten Digitalisierungs-Tools sei man dann in der Lage, ganze Baugruppen rechnerisch auszulegen.

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