Querlenker aus CFK integriert mehrere Funktionen

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Immer leichter, immer sparsamer – so die Maxime der Automobilindustrie. Eine Schlüsseltechnologie, um diesem Anspruch gerecht zu werden, ist der betriebsfeste und funktionsintegrierte Leichtbau – sehr oft unter Einsatz von Faserverbunden. Allerdings stellt die fasergerechte und betriebsfeste Auslegung von Faserverbundstrukturen Konstrukteure und Ingenieure vor eine große Herausforderung.

Faserverbunde müssen fasergerecht ausgelegt werden

Im Vergleich zu Metallen verhalten sich Faserverbunde unter mechanischen Lasten deutlich komplexer, und bestehende Konstruktionen aus Metallen lassen sich nicht einfach durch Faserverbunde ersetzen. Die unterschiedlichen Werkstoffe erfordern bei der Konstruktion hinsichtlich des Fertigungsverfahrens und wegen der anisotropen Eigenschaften der Faserverbunde unterschiedliche Herangehensweisen. Faserverbunde müssen fasergerecht ausgelegt werden, die verstärkenden Fasern müssen also in Lastrichtung ausgerichtet sein.

Eine Herausforderung für die Darmstädter Forscher war es, die Herstellung der Faserverbundbauteile fit für die Serienfertigung zu machen. Das Ergebnis: Für große und flächige Bauteile eignen sich besonders Organobleche mit thermoplastischer Matrix, die - umspritzt in einem Werkzeug -, die Bauteilgeometrie abformen. Auf Basis duroplastischer Matrixsysteme besteht die Möglichkeit, das Resin Transfer Moulding-Verfahren (RTM-Verfahren) zu verwenden.

Bemessung nach Betriebsfestigkeit

Für eine betriebsfeste und zuverlässige Auslegung von Fahrwerkskomponenten ist es notwendig, alle Einflüsse aus dem Betrieb zu berücksichtigen. Die mechanische Auslegung beruht auf Lastkollektiven, die an einem Messrad in einem Fahrzyklus ermittelt wurden. Die Kollektivwerte wurden in Lasten umgerechnet, die an dem jeweiligen Bauteil angreifen. Aus Fahrmanöverabschätzungen wurden kritische Fahrmanöver abgeleitet, die als Lastannahme dienten. Die unterschiedlichen Fahrmanöver rufen in den höchst beanspruchten Bereichen komplexe mehraxiale Beanspruchungszustände hervor, die es für die betriebssichere Auslegung zu bewerten galt.

Experimentelle Untersuchungen an den zu verwendenden Materialien bildeten die Grundlage für die Erstellung von Materialmodellen zur Abschätzung der Lebensdauer. Mittels numerischer Methoden identifizierten die Wissenschaftler lasttragende Bereiche, wo lokale Faserverstärkungen der Struktur verlaufen müssen. Um die lokale Faserverstärkung zu stützen, müssen Gewebeschichten in den Schichtaufbau eingebracht werden. Dieser Schichtaufbau wurde numerisch bezüglich der lokalen Faserorientierung optimiert, damit auch diese Gewebelagen entsprechend ihrer Beanspruchung optimal ausgelastet sind.

Licht deckt Schäden auf

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