Werkstoffverbund Leichtbaurad im Sandwichdesign

Chemnitzer Wissenschaftler des Bundesexzellenzclusters Merge haben gemeinsam mit den Partnern des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik das Gewicht eines Pkw-Rades durch den Einsatz von neuartigen Materialien und Strukturen um mehr als die Hälfte reduziert.

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Im Vergleich zu einem Referenzrad aus Stahl, welches etwa 6,8 Kilogramm auf die Waage bringt, wiegt das neue Leichtbaurad aus Chemnitz nur noch 3,02 Kilogramm. Das dreiteilige Rad besitzt eine Sandwich-Radscheibe aus einem Aluminiumschaumkern und Deckschichten aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden.

Dieses Sandwichdesign nutzt gezielt die Vorteile der eingesetzten Werkstoffe. Vor allem im Automobilbau finden derartige Multi-Material-Bauweisen verstärkt Anwendung. So lassen sich beispielsweise das Gewicht und damit auch der Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen durch die Kombination neuer Verfahrenstechnologien und intelligenter Materialsysteme reduzieren. Die Verbindung von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden mit Metallschäumen bietet besondere Leichtbaupotentiale vor allem in der Großserie, weiß Alexander Hackert, Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bundesexzellenzcluster Merge. Er betont: „Hochporöse, metallische Schäume wie Aluminiumschaum besitzen sehr gute mechanische Eigenschaften bei niedriger Dichte und zugleich ein enormes Energieabsorptionsvermögen, was zu einem erhöhten Komfort insbesondere bei Kurvenfahrten beiträgt. Dabei haben sie außerdem eine ausgeprägte Schadenstoleranz.“

Der spezielle Kernverbund macht die Radscheibe des Pkw-Rades enorm steif und gleichzeitig leicht. Der Aluminiumschaumkern weist eine hauchdünne, geschlossene Außenseite auf, die dazu dient, ein optimales Interface zu den kohlenstofffaserverstärkten Deckschichten bereitzustellen. Zusätzlich wird eine Pufferschicht mit Glasfaserverstärkung zur Harmonisierung des Steifigkeitssprunges zwischen Aluminiumschaum und den kohlenstofffaserverstärkten Deckschichten eingebracht. „Durch eine drastische Druckerhöhung bei der Herstellung in thermischen Pressverfahren werden zudem die thermisch induzierten Eigenspannungen im Bauteil eingefroren. Das trägt zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit bei, da die hochbelasteten Bereiche des Rades bereits vorgespannt sind“, erklärt Hackert.

Durch die Verringerung der ungefederten Massen konnten die Wissenschaftler außerdem eine Verbesserung der Fahreigenschaften erreichen. Das Fahrzeug wird agiler und es verändert sein Verhalten, wenn der Fahrer auf die Bremse tritt: Es kommt schneller zum Stehen. (qui)

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