Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen. Wissenschaftstag Potentiale der Hybridbauweisen DLR, Braunschweig, 2. Oktober 2014

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1 Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen Wissenschaftstag Potentiale der Hybridbauweisen DLR, Braunschweig, 2. Oktober 2014 Dr.-Ing. Christian Hühne Abteilungsleiter Funktionsleichtbau

2 Slide 2 Arten des Leichtbaus Funktionsleichtbau Struktur als Optimum aus Gewicht und Funktionen des Bauteils Stoffleichtbau Werkstoff mit guten spezifischen Eigenschaften Funktions- Leichtbau Anforderungen Integrations- Leichtbau Integrationsleichtbau Optimal gefertigte integrale Struktur in Bezug auf Kosten und Fertigungsaufwand Stoff- Leichtbau Form- Leichtbau * Quelle: Airbus *) Source: Mercedes

3 Slide 3 Funktionsleichtbau: Vom Material zum Produkt Produkt Entwurf Material

4 Slide 4 Material: Faserverstärkte Kunststoffe C- Faser Produkt Glas- Faser Entwurf Natur- Faser Material

5 Slide 5 Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen Produkt Entwurf Material

6 Slide 6 Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen Produkt Strukturintegrierte Komponenten Materialgerechter Entwurf Material Modifikation Material

7 Slide 7 Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen Strukturintegrierte Komponenten Materialgerechter Entwurf Hybrid- Laminarisierung

8 Slide 8 Konzeptauto Neue Fahrzeugstrukturen (NFS) Ziele des Multi-Material Fahrzeugkonzeptes: - Gewichtsreduktion - Erhöhung der Sicherheit - Innovative Modularisierungs- Strategien Freikolben-Lineargenerator Brennstoffzelle DLR Project NFS Institute FK, FA, BT

9 Slide 9 B-Säule aus CFK Mechanisches Wirkprinzip des Spantes beim Seitencrash: - Integerer B-Säulenbereich - Fließgelenk im Dachholmbereich - Energieabsorption im Unterboden Bodenquerträger mit Crash-Element : Minimale Verformung im Spant bei maximaler Energieaufnahme in den Crashelementen DLR Project NFS Institute FK, FA, BT

10 Slide 10 B-Säule aus CFK Funktionsprinzip CFK-Ringspant: - Gelenk am Dachholm - Crash-Koni im Bodenbereich - B-Spant

11 Slide 11 B-Säule aus CFK Funktionsprinzip CFK-Ringspant: Außenschale Omega-Versteifung Innenschale

12 Slide 12 Crash-Test NCAP

13 Slide 13 Crash-Test IIHS

14 Slide 14 Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen Strukturintegrierte Komponenten Materialgerechter Entwurf Hybrid- Laminarisierung

15 Slide 15 Hybride Laminate vs. Hybride Strukturen Ähnliche Herausforderungen andere Einsatzgebiete Bürgernahes Flugzeug - Rumpf-Panel als asymmetrischer Sandwich - Aluminium-Außenhaut zur Impact-Detektion - Sandwich-Bauweise verbessert Beulstabilität - Längs-Versteifungen (Longerons) sind in den Sandwich integriert (keine Mouse-Holes in den Spanten) Longerons als Hybrid-Laminat mit Schaum- Kern

16 Slide 16 Herausforderungen in hybriden Laminaten Anbindung Korrosion Eigenspannungen NDI Methoden Kosteneffiziente Fertigung

17 Slide 17 Herausforderungen in hybriden Laminaten Anbindung Korrosion Multimaterial-Team der Abteilung Funktionsleichtbau Eigenspannungen NDI Methoden Kosteneffiziente Fertigung

18 Slide 18 Herausforderungen in hybriden Laminaten Die Anbindung Voruntersuchungen im Labormaßstab

19 Slide 19 Herausforderungen in hybriden Laminaten Die Anbindung Realisierung einer Vakuumsaugstrahlanlage

20 Slide 20 Herausforderungen in hybriden Laminaten Thermische Residualspannungen Verhalten während der Laminataushärtung Viskoelastische Eigenschaften (Matrix während der Aushärtung) Elastische Eigenschaften (Mechanische Interaktion) WZ oder Metalleinzellage Thermoelastisches Verhalten (thermische Ausdehung von Faser, WZ und Metalllagen) L = L 0 α T

21 Slide 21 Herausforderungen in hybriden Laminaten Thermische Residualspannungen: Einflussmöglichkeiten Konstruktive Modifikation Prozessmodifikation Materialmodifikation Veränderung der Eigenspannungen

22 Slide 22 Herausforderungen in hybriden Laminaten Thermische Residualspannungen - Eigenspannungsniveau beispielhaft bei unterschiedlichen Maßnahmen - Zwei verschiedene Ansätze zur Ermittlung der Eigenspannungen Referenz Druckänderung Tempänderung Konstruktive Maßnahme Eigenspannungen in intrinsischen Hybridverbunden Ermittlung, Modifikation und Berücksichtigung in der Fertigung und der numerischen Schadensmodellierung Intrinsische Hybridverbunde Grundlagen der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung (SPP 1712)

23 Slide 23 Herausforderungen in hybriden Laminaten Dauerhaltbarkeit Motivation: - Betriebssicherheit - Kostenwirksamkeit Problemstellung: - Harzmatrix kann die Feuchtigkeit absorbieren - Kohlenstofffasern sind elektrisch leitfähig - Metall und CFK in Kontakt Zwischenfazit: - Anforderungen zur Entstehung eines galvanischen Elementes erfüllt - Potentialdifferenz (CFK/Stahl) beträgt 160 mv vs. Ag/AgCl

24 Slide 24 Herausforderungen in hybriden Laminaten Dauerhaltbarkeit Ziele: - Auftretende Korrosion an der CFK/Metall-Schnittstelle erfassen - Veränderungen der mechanischen Eigenschaften prognostizierbar machen Versuchsumfang: - Elektrochemische Verfahren - Alterungstests im Klimakammer - Mechanische Prüfungen - Analytisches Modell Ergebnisse: - Quantitative Aussage zur Entstehung eines galvanischen Elementes - Detaillierte Auswertung der Korrosionsanfälligkeit (in Arbeit) - Bestimmung der Korrosionsform

25 Slide 25 Effiziente Herstellung mittels Rollprofilierung in der Open Hybrid LabFactory TRoPHy I (OHLF Vorphase ) Thermoplastische Rollgeformte Profile in Hybridbauweise I Ergebnisse aus TRoPHy I: Lastenheft für Anforderungen an die Zielbauteile erstellt Kombination aus elektrolytisch verzinktem Feinblech mit KSP und faserverstärktem PA6 als geeignet identifiziert Identifikation und Auswahl eines Rollform-Fertigungsprozesses Mögliches Gewichtseinsparpotenzial bei nicht optimiertem Hybridwerkstoff: 23% bzw. 34% für die beiden potenziellen Bauteile Entwicklung einer prototypischen Rollformanlage FE-Simulation des Umformprozesses

26 Slide 26 Effiziente Herstellung mittels Rollprofilierung in der Open Hybrid LabFactory TRoPHy I (OHLF Vorphase ) Thermoplastische Rollgeformte Profile in Hybridbauweise I Ergebnisse aus TRoPHy I: Lastenheft für Anforderungen an die Zielbauteile erstellt Kombination aus elektrolytisch verzinktem Feinblech mit KSP und faserverstärktem PA6 als geeignet identifiziert Identifikation und Auswahl eines Rollform-Fertigungsprozesses Mögliches Gewichtseinsparpotenzial bei nicht optimiertem Hybridwerkstoff: 23% bzw. 34% für die beiden potenziellen Bauteile Entwicklung einer prototypischen Rollformanlage FE-Simulation des Umformprozesses

27 Slide 27 Einsatzgebiet: Lokale Metall-Hybridisierung Konzept Idee: - Lokale Nutzung der Metall-Plastizität zur Erhöhung der Lochleibungsfestigkeit - Spezifische Eigenschaften des CFK-Materials bleiben erhalten Umsetzung: - Lagen werden nur lokal substituiert - Metalllagen mit gleicher Dicke wie CFK-Lagen - Transitions-Zone von der hybriden zur monolithischen CFK-Struktur Vorteile: - Volumen bleibt konstant - Keine Exzentrizitäten und Sekundär-Biegemomente

28 Slide 28 Einsatzgebiet: Lokale Metall-Hybridisierung Anwendung ISJ Ariane 5 Booster Verbesserte Intersegment- Verbindung: - Konstante Dicke durch erhöhte Lochleibungsfestigkeit (an Stelle der Aufdickung) - Gewichtseinsparung durch kürzere Bolzen - Keine Biegemomente durch Exzentrizitäten Referenz (MT Aerospace) - Bolzenreihe eingespart - Reduzierte Überlappungslänge Re-Design führt zu enormen Gewichtseinsparungen! Verbesserter Entwurf (DLR)

29 Slide 29 Einsatzgebiet: CFK-UD-Stahllaminate Die Motivation damage resistance stiffness Quasi-isotropiclaminate UD-laminate UD-laminate + steel foil

30 Slide 30 Einsatzgebiet: CFK-UD-Stahllaminate Der verfolgte Ansatz steel foil CRES (0.05 mm and thinner) CFRP-prepreg HexPly 8552/AS4 (0.13 mm) MRCC for monolithic components

31 Slide 31 CFK-UD-Stahllaminate Ergebnisse specific compression strength of the hybrid laminate is approx. 14 % higher than strength of CFRP- (62.5/25/12.5) specific compression modulus of the hybrid laminate is increased by approx. 13 % compared to CFRP- (62.5/25/12.5) Bei 30 J Impact versagt das CFK-UD-Laminat vollständig, während die anderen beiden Laminate eine vergleichbare Druckrestfestigkeit zeigen D. Stefaniak and E. Kappel and B. Kolesnikov and C. Hühne Improving the mechanical performance of unidirectional CFRP by metal-hybridization ECCM15-15th European Conference on Composite Materials, Venice, Italy, 2012

32 Slide 32 Plastizität Flachproben Motivation: Pfahlcrash einer Faserverbundkarosserie Problem: Vermindertes Energieaufnahmevermögen von CFK bei Biegebeanspruchung Innovation: Mehrschichtiges hybrides Verbundmaterial Untersuchung: Spezifische Energieaufnahme und Maximalkraft unter Biegebeanspruchung Potentiale des hybriden Verbundmaterials: - Spezifische Energieaufnahme +50% gegenüber CFK - Spezifische Maximalkraft Vergleichbar zu CFK

33 Slide 33 Plastizität Rohrproben Innovation: Herstellung geschlossener Profile Stahl- CFK-Mehrschichtverbund Versuchsumfang: - Quasi-statische Tests - Hochdynamische Tests am Fallwerk (8m/s) Untersuchte Einflussparameter: - Orientierung der Einzellagen - Halbzeugart (UD vs. Gewebe) - Metallgehalt Ergebnisse: - Detaillierte Auswertung gegenwärtig in Arbeit - Einflussparameter lassen keine pauschale Aussage zu Video

34 Slide 34 Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen Strukturintegrierte Komponenten Materialgerechter Entwurf Hybrid- Laminarisierung

35 Slide 35 Strukturintegriertes Antennendesign Car-to-X Kommunikation (C2X) Mit steigendem Informationsaustausch im Straßenverkehr wächst die Nachfrage an kabellosen Kommunikationskanälen und den dazugehörigen Antennenstrukturen Die Antenne wird in die Struktur integriert um eine optimale Positionierung und eine verbesserte Abstrahlcharakteristik zu erzeugen Aktuelle Antenne ist 9 cm hoch, der Bauraum soll weiter vermindert werden Durch die Integration der Antenne in die Fahrzeugstruktur lassen sich Aufbauten vermeiden, welche die Aerodynamik des Fahrzeuges beeinflussen. Weiterhin vermindert sich der Installationsaufwand bei der Montage. Kreuzung Rebenring - Hagenring [AUM-MUW]

36 Slide 36 Antennen-Design in der Realerprobung Sandwichbauweise mit reduzierter Bauhöhe und redundanten Antennen-Design Montage auf einem VW T5 Institut für Verkehrssystemtechnik stellt Messtechnik und Infrastruktur. Die Realerprobung findet auf dem DLR Gelände und auf dem Braunschweiger Ring statt.

37 Slide 37 Erprobung auf dem DLR-Gelände Messung und Auswertung von Latenzen, Paketverlustraten und Paketgrößen mit einem mobilen Fahrzeugmessaufbau inkl. DGPS-Sensorik sowie einer Labor- Lichtsignalanlage auf Basis p (Automotive-WLAN)

38 Slide 38 Validierung der Antenne Braunschweiger Ring

39 Slide 39 Fazit Realerprobung Die Antenne wurde erfolgreich vermessen und getestet: Die Ergebnisse der integrierten Antenne sind vergleichbar gut wie die, einer kommerziell verfügbaren Antenne Durch eine gezielte Weiterentwicklung können funktionsintegrierte Karosseriebauteile identifiziert werden, in dass das Antennendesign für die Car2X Kommunikation integriert werden kann: Mögliche Bauteile sind Schiebedach, Motorhaube oder das komplette Fahrzeugdach

40 Slide 40 Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen Produkt Strukturintegrierte Komponenten Materialgerechter Entwurf Material Modifikation Material

41 Vielen Dank! Dr.-Ing. Christian Hühne Abteilungsleiter Funktionsleichtbau DLR Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Lilienthalplatz Braunschweig Telefon: christian.huehne@dlr.de