Faserverbundtechnologie

Wie ultraleichte Fahrzeugsitze möglich sind

| Redakteur: Dorothee Quitter

Die Tragstruktur des ultraleichten Fahrzeugsitzes wurde mittels xFK-in-3D-Technologie gefertigt und wiegt etwa 6,5 kg.
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Die Tragstruktur des ultraleichten Fahrzeugsitzes wurde mittels xFK-in-3D-Technologie gefertigt und wiegt etwa 6,5 kg. (Bild: Csi)

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Am 21.3.2019 wurde auf dem Symposium „Step Change im Leichtbau“ ein knapp 10 kg leichter Fahrzeugsitz für Sportwagen vorgestellt. Konstruktionspraxis sprach mit Rainer Kurek, Geschäftsführer von AMC über die in „xFK in 3D“ gefertigte Tragstruktur.

konstruktionspraxis: Wie kam es zu der OEM-unabhängigen Machbarkeitsstudie für ein ultraleichtes Fahrzeugsitzkonzept?

Rainer Kurek: Nach unseren verschiedenen xFK-in-3D-Machbarkeitsstudien für Brackets, Wellen, Rohrverbinder und andere Strukturbauteile, die wir seit 2014 umsetzen, war und ist es nun Ziel, die Prozesstechnologie auch für größere Komponenten und Systeme einzusetzen. Da wir bereits seit vielen Jahren Erfahrungen im Sitzbereich sammeln, analysieren und entsprechende Kompetenzen entwickeln konnten, war es naheliegend, die Sitzstruktur neu zu denken, um eine hybride, bionisch inspirierte Lösung zu erarbeiten. Zudem liegt in der Sitzstruktur der Hauptteil des Gewichts und somit auch die größte Gewichtseinsparungsmöglichkeit.

konstruktionspraxis: Welche Rolle spielte AMC?

Kurek: Als Technologie-, Ausbildungs- und Beratungshaus für Leichtbau-Innovationen entwickeln, vermarkten und technologisieren wir xFK in 3D ebenso stetig wie konsequent weiter. Unsere Aufgabe bestand in diesem Sitzprojekt zuallererst darin, die verschiedenen Partner für xFK in 3D zu sensibilisieren, entsprechend zu qualfizieren, um die erforderliche Wertschöpfungskette aufbauen zu können. Von der Idee über die Auslegung bis hin zum xFK in 3D-Bauteil- und Werkzeugkonzept unterstützten wir unsere Partner, um den Sitz dann auch physisch auf die Straße zu bringen.

konstruktionspraxis: Wie funktioniert die xFK-in-3D-Technologie?

Kurek: Bei xFK in 3D handelt es sich um eine einfache, hochflexible, nachhaltige und räumlich nahezu beliebig gestaltbare Faserverarbeitungstechnologie. Dabei wird ein Faserroving in gewünschter, das heißt kraft- und spannungsoptimierter Stärke und Länge mit Harz getränkt und in definierter Faserstrang-Anzahl zu einem Bauteil gelegt. Die freie geometrische Auslegung, die bei unzähligen Anwendungsfällen im Automobilbau, Luft- und Raumfahrt, Maschinen- und Anlagenbau sowie vielen anderen Einsatzgebieten gegeben ist, bedeutet einen ‚step change‘ im Leichtbau.

konstruktionspraxis: Welche Vorteile bietet die Technologie?

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Das Leichtbausitz-Projekt

Kurek: Die Fasern liegen reproduzierbar ideal in Spannungsrichtung. Die Fasereigenschaften werden voll genutzt. Basierend auf mehrachsigen dynamischen Kraft- und Spannungsanalysen werden dann eben auch nur so viele Fasern eingesetzt, welche in den Bauteilen Kräfte zu übertragen haben - und keine Faser mehr. Es entsteht kaum Verschnitt und durch die Hohlräume zwischen den Fasersträngen sprechen wir dann zurecht von Ultra-Leichtbau-Applikationen.

konstruktionspraxis: Wie wurde diese Technologie konstruktiv für die Tragstruktur des Sitzes umgesetzt?

Kurek: Resultierend aus verschiedenen Ist-Modellanalysen und selbst definierten Lastfällen wurde zunächst eine Topologie-optimierte Grundstruktur konzipiert, die schließlich auskonstruiert wurde. xFK in 3D ist grundsätzlich ein berechnungs- und simulationsgetriebenes Ultra-Leichtbau-Verfahren, das einen ebenso effektiven wie effizienten CAE-CAD-CAM-Prozess ermöglicht. Die virtuelle Entwicklungsarbeit mit signifikanter Effizienzsteigerungs-Option bezüglich Zeit und Kosten in der Entwicklung ist ein wesentlicher Vorteil von xFK in 3D. Dies war von Anfang an Ziel unserer Mission.

konstruktionspraxis: Welche Herausforderungen mussten in diesem Zusammenhang gemeistert werden?

Kurek: Die Hauptherausforderung bei allen xFK-in-3D-Anwendungen liegt seit Jahren darin, Kreativität bei der Auslegung und fertigungstechnische Machbarkeit gleichzeitig im Auge zu behalten. Der Ultra-Leichtbau mit xFK in 3D erfordert ebenso viel Ideenreichtum und Gefühl wie Erfahrungswissen und Verstand. Zudem galt es beim Sitz – wie im Leichtbau stets erforderlich – Funktion, Komfort, Werkstoffe, Verbindungstechnik, Prototypenfertigung usw. in einer gesamt-systemischen Balance zu halten.

konstruktionspraxis: Wie erfolgte die Auslegung und Berechnung?

Kurek: Die Eingangsgröße für Auslegung und Berechnung stellen das Lastkollektiv und der Bauraum dar. Daraus ergibt sich unter Berücksichtigung der Verbindungstechnik und verschiedener Fertigungsparameter ein erstes Grobkonzept, welches schließlich der Feinmodellierung dient, die zum erforderlichen Wickelplan führt. Entscheidend ist bei xFK in 3D, dass Faserstrangrichtung, -stärke, -anzahl etc. konkret ermittelt werden. Steifigkeit, Festigkeit und Genauigkeit gilt es gleichermaßen zu berücksichtigen. Die Auslegung des Ultra-Leichtbausitzes erfolgte durch CSI Entwicklungs- technik.

konstruktionspraxis: Der komplette Sitz wiegt knapp 10 kg. Wieviel Masse entfällt dabei auf die Tragstruktur?

Kurek: In etwa 6,5 kg, wobei es aus unserer Sicht noch ein wenig Optimierungspotenzial gibt, das aber erst nach fundierten statischen und dynamischen Tests ermittelt werden kann. Diese wurden für die technische Machbarkeitsstudie nicht durchgeführt. Eine iterative Strukturoptimierung bis zur letzten Faser setzt Betriebslasterprobungen voraus, um das Potenzial im xFK in 3D-Ultra-Leichtbau vollends auszuschöpfen. Dies gilt insbesondere für Motorsport-, Luft- und Raumfahrtapplikationen und ist nicht in jedem Fall sinnvoll und richtungsgebend.

konstruktionspraxis: Wird die xFK-in-3D-Technologie noch weiter- entwickelt?

Kurek: Die Weiterentwicklung erfolgt nicht nur durch uns, sondern mittlerweile durch viele renommierte Marktteilnehmer in unterschiedlichen Branchen und Marktsegmenten. Darüber freuen wir uns sehr, da letztendlich die gesamte Produkt- und Prozessentwicklung davon profitiert und somit unsere Kunden. Wir arbeiten derzeit intensiv an unterschiedlichen Industrialisierungs-Konzepten.

Vielen Dank Herr Kurek.

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