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Faserverbundwerkstoff Fasern in optimaler Lage

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

ARRK Engineering hat im Rahmen eines selbst finanzierten Entwicklungsprojekts ein voll funktionsfähiges thermoplastisches Composite-Getriebegehäuse für E-Fahrzeuge entwickelt und die erste Hälfte bereits prototypisch umgesetzt.

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Der Prototyp der ersten Gehäusehälfte wurde Ende 2016 der Öffentlichkeit vorgestellt. Die geforderte Steifigkeit bei Temperaturen über 100 °C wurde mit 45°-Lagen des Organoblechs, verstärkenden UD-Tapes und Spritzgussrippen erreicht.
Der Prototyp der ersten Gehäusehälfte wurde Ende 2016 der Öffentlichkeit vorgestellt. Die geforderte Steifigkeit bei Temperaturen über 100 °C wurde mit 45°-Lagen des Organoblechs, verstärkenden UD-Tapes und Spritzgussrippen erreicht.
(Bild: ARRK Engineering)

Für eine hohe Reichweite ist bei Elektro-Fahrzeugen ein möglichst geringes Gewicht von herausragender Bedeutung. Neben der Karosserie werden dadurch auch Komponenten aus dem Antrieb, wie das Gehäuse von typischerweise verwendeten zweistufigen Getrieben, für eine weiterreichende Werkstoffsubstitution interessant. Kohlenstofffaserverstärkte Thermoplaste sind dabei aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften in Kombination mit den etablierten Möglichkeiten der Fertigung eine gute Wahl.

Ein Composite-Getriebegehäuse mit thermoplastischer Matrix ist rund 30 % leichter und deutlich leiser als ein konventionelles Aluminium-Modell – das ergaben Studien, die von ARRK Engineering im Vorfeld der Entwicklung angestellt wurden. Dieses Potential wurde bisher nur an Technologiedemonstratoren aufgezeigt.

Re-Engineering ergibt Zielwerte für Composite-Gehäuse

Die Projektzeit wurde in drei Phasen eingeteilt. In der ersten wurde das grobe Konzept erstellt, in der zweiten der konkrete Entwurf erarbeitet und in der dritten die Details ausgeführt. Um gewissermaßen das Pflichtenheft erstellen zu können, wurden zunächst über das Re-Engineering eines bestehenden Aluminium-Modells die Zielwerte ermittelt, die mindestens erreicht werden sollten. Da insbesondere die Steifigkeiten erheblichen Einfluss auf Lebensdauer und Akustik des Getriebes haben, lag hier der Fokus der Überlegungen bezüglich der Geometrie. Die Entwicklung wurde mit intensiver Nutzung von Simualtionsmethoden vorangetrieben. Alle Lösungswege wurden auf diese Weise überprüft und Lösungskonzepte virtuell auf ihre Funktionalität und ihr Potenzial hin untersucht.

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„Aufgrund der kurzen Zykluszeiten und damit verbundenen hohen Stückzahlen entschieden wir uns für einen thermoplastischen Werkstoff, der mit kurzfaserverstärktem Kunststoff umspritzt werden sollte“, beschreibt Kreutzmann den grundsätzlichen Ansatz. Die unterschiedlichen Szenarien sowie ihre Machbarkeit wurden jeweils in Press- beziehungsweise Spritzgusssimulationen bewertet und optimiert. „In die Entwicklung flossen außerdem unsere Erfahrungen im Umgang mit Thermoplasten beziehungsweise deren Kombination mit anderen Materialien ein. Auch die Kenntnis der relevanten Versagensmodelle sowie das Know-how zum Einsatz von Spritzgussverfahren waren hilfreich“, so Kreutzmann. Anders sah es hingegen beim Umformen des Organoblechs aus. Hier war kaum Vorwissen zu den Zykluszeiten oder den Temperaturen vorhanden. Schwierigkeiten für die Umsetzung ergaben sich zudem aus der eingeschränkten Verfügbarkeit des gewünschten Gewebes sowie des Matrixwerkstoffs. Hier musste zunächst ein Hersteller gefunden werden, der in der Verwendung von Karbonfaserverbundstoffen ebenfalls die Zukunft der Automobilindustrie sieht – was jedoch schließlich gelang.

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