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.

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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