Faserverbundwerkstoff

Fasern in optimaler Lage

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Topologieoptimierung: UD-Tapes sorgen für lokale Verstärkung

Für das Design des Bauraums wurden zunächst über eine Topologieoptimierung – unter Berücksichtigung von Zug- und Druckbereichen – die Kraftverläufe im Gehäuse ermittelt. Der daraus abgeleitete Entwurf diente als erster Anhaltspunkt dafür, wo das Material platziert, beziehungsweise wie die Lagen des Organoblechs optimiert werden müssen, um die erforderliche Steifigkeit zu erreichen. Weiterhin wurden in umfangreichen Simulationen die möglicherweise unter Last auftretenden Verformungen untersucht. Dabei erwies sich die Torsion des Gehäuses als dimensionierende Größe, welcher mit 45°-Lagen begegnet wurde. Zudem galt es lokale Schwachstellen zu identifizieren, um diese gezielt zu minimieren beziehungsweise die auftretenden Dehnungen zu reduzieren. „Neben der FEM-Optimierung wurde daher manuell nach Möglichkeiten einer punktuellen Verstärkung gesucht, die mit möglichst wenig zusätzlichem Gewicht einhergeht“, schildert Raik Rademacher, Teilprojekleiter Engineering, die Vorgehensweise der Entwickler. Gekreuzte unidirektionale (UD)-Tapes zeigten dabei einen besonders positiven Einfluss. Die Dicke der eigentlichen Organobleche konnte daraufhin von 5 mm auf 4 mm reduziert werden, was nicht nur Gewicht spart, sondern auch den Umformprozess des Organoblechs in der Presse begünstigt.

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Der detaillierte Entwurf sah weiterhin die Verwendung von Aluminium-Inserts vor, welche die in die Lager eingeleiteten Lasten auf das Organoblech übertragen. Mit diesen Inserts konnte die Wellenverkippung deutlich reduziert werden. „Da die Lagersitze auf 30 µm genau passen müssen und so wenig Nacharbeiten wie möglich anfallen sollten, wurden die entsprechenden Prozessparameter und ihre Auswirkungen, etwa auf den Verzug, im Versuch ermittelt“, legt Rademacher die Details dar. Neben den UD-Tapes tragen auch Spritzgussrippen auf dem Organoblech zum Erreichen der Steifigkeitsziele bei. Ein positiver Nebeneffekt des Einsatzes der Spritzgusstechnologie: es kann auf Endkontur gefertigt werden und es fallen keine nachträglichen Bohrungen mehr an. Auch die Nacharbeit wird dadurch erleichtert. Zudem verhindert der kurzglasfaserverstärkte Spritzguss den Kontakt zwischen der Karbonfaser und den metallischen Inserts. Diese galvanische Trennung beugt Korrosionserscheinungen vor, so dass keine zusätzliche Beschichtung erforderlich ist.

Der Herstellungsprozess ‒ von der Preform zum fertigen Bauteil

Die Herstellbarkeit wurde durch die enge Einbindung von ARRK/Shapers, dem Spezialisten für Werkzeugfertigung innerhalb der ARRK-Gruppe, sowie durch die Simulation des Pressvorgangs mit der Software des Kooperationspartners ESI sichergestellt.

Da die Prototypen der ersten Gehäusehälfte in einem zweistufigen Prozess realisiert wurden, war die Neuentwicklung jeweils eines Werkzeuges für den Pressprozess und für das anschließende Umspritzen erforderlich: In der ersten Phase werden das Organoblech und die verstärkenden UD-Tapes erwärmt und in einem Pressverfahren so umgeformt, dass sich die Matrixwerkstoffe verbinden und die gewünschte Preform entsteht. In der zweiten Phase wird die Preform erneut erwärmt und im Spritzgusswerkzeug umspritzt, um die finale Geometrie einschließlich der Rippen sowie weiterer Funktionsflächen zu erzeugen.

Die akustischen Vorteile sowie die Reduktion des Gewichts stellten sich wie erhofft ein: Das Getriebegehäuse wurde durch die Verwendung von faserverstärktem Thermoplast um 30 % leichter. (qui)

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