Faserverbund Know-how aus der Luft- und Raumfahrt für die Automobilindustrie

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1 Faserverbund Know-how aus der Luft- und Raumfahrt für die Automobilindustrie Dr. L. Herbeck, DLR Dr. B. Schweitzer, HEE Zulieferbörse 27. März 2003, Vortragsreihe: Werkstoffe/Fertigung Institut für Strukturmechanik 1 Inhalt der Präsentation Faserverbundwerkstoffe (FVW) in der Luft und Raumfahrt Entwicklungskette Faserverbundwerkstoffe Möglichkeiten und Grenzen der Faserverbundwerkstoffe im Automobilbau Von der Manufaktur zur Produktion Zusammenfassung Ausblick Institut für Strukturmechanik 2

2 Faserverbundwerkstoffe in der Raumfahrt Aufrollbare CFK-Masten Gewicht 100g/m Hohe Biegesteifigkeit Thermisch neutral Projekt Solar Sail Institut für Strukturmechanik 3 Faserverbundwerkstoffe in der Luftfahrt Floor Beams for upper Deck: CFRP, continuous Process Vertical Tail Plane: IM Fiber, ATL for Torsion Box and Rudders Wing: Glass Thermoplastic J-nose CFRP Outer Flaps: CFRP, ATL Faserverbund-Anteil 22% - 24% Un-pressurized Fuselage: solid laminated CFRP, AFP Horizontal Tail Plane: IM Fiber, ATL for Torsion Box and Elevators Center Wing Box: Flap Track Panels: CFRP HT & IM Fiber, ATL Rear Pressure Bulkhead: Institut für Strukturmechanik CFRP, RFI with NCF 4 Quelle: Airbus, Hinrichsen Paris 2002

3 Prozesskette Faserverbundwerkstoffe Grad der Konkretisierung Fertigung, Qualifikation Montage Betrieb Reparatur Demonstratoren, Prototypen Entwurf Bauweisen- und Strukturkonzepte Konstruktion, Dimensionierung Von der Idee bis zum Prototypen und darüber hinaus Anwendungsnähe Institut für Strukturmechanik 5 Möglichkeiten und Grenzen der FVW im Automobilbau 4 Gewicht und Kosten 4 Einfluss der Seriengröße heinzelteilfertigung Bsp. Motorsport, Show-Car, 1-Literauto hkleinserien Bsp. Nischen-Fahrzeuge hgroßserien? 4 Recycling hlösung Bio-Verbundwerkstoffe 4 Funktionsintegration Bsp. Adaptronik Institut für Strukturmechanik 6

4 Leichtbau im Automobil Institut für Strukturmechanik, Quelle: VW, Winterkorn, Dresden Was darf Leichtbau kosten Tolerierbare Mehrkosten für eine Gewichtsminderung um 1kg bzw. 1% vom Gesamtgewicht, (Größenordnungen) / kg / Gew. -% Raumfahrt Großraumflugzeug Regionalflugzeug Auto 5 50 Institut für Strukturmechanik, Lars.Herbeck@dlr.de 8

5 Entwicklung der Produktionsraten und -Kosten Bsp. Kohlenstofffaser Quelle: Zoltek Institut für Strukturmechanik, 9 Motorsport und Prototypen mit sehr großem CFK-Anteil Formel 1 VW 1-Liter-Auto Monococque, Spoiler,... Quelle: Sauber Außenhaut, Bodengruppe,... Quelle: VW Einzelstücke bzw. sehr kleine Serien Institut für Strukturmechanik, Lars.Herbeck@dlr.de 10

6 Nischenfahrzeuge mit großem CFK-Anteilen BMW M3 CSL Porsche Carrera GT Flaps, Frontschürze, Dach, Heckdiffusor, Frontschürze, Türund Seitenverkleidungen sowie die Mittelkonsole Quelle: BMW Monococque und gesamter Aggregateträger, Unterboden, abnehmbaren Dachhälften Quelle: Porsche Kleine bis mittlere Serien Institut für Strukturmechanik, 11 Quelle: VW, Winterkorn, Dresden 2002 Groß-Serieneinsatz von CFK? BMW Group bereitet Serieneinsatz von CFK vor Recycling ungelöst!? Quelle: BMW Institut für Strukturmechanik, 12

7 EU-Altautoverordnung Quelle: VW, Winterkorn, Dresden 2002 Institut für Strukturmechanik, 13 Lebenszyklus von Bio-Verbunden Thermische Verwertung Rohstoffrecycling Kompostierung Werkstoffrecycling? Institut für Strukturmechanik, 14

8 Erwartungen an den Bio-Verbund Mechanisch belastbar wie GFK Temperaturbeständig Feuchtigkeitsbeständig Formstabil Effizient verarbeitbar und Wirtschaftlich Institut für Strukturmechanik, 15 Automobil Türverkleidung Mechanische Eigenschaften wurden erfüllt Gute Verarbeitbarkeit Leichte Probleme beim Fogging Kompostierung als Entsorgung möglich Matrix zu teuer Institut für Strukturmechanik, 16

9 Beispiel Bio-Verbund Schienenfahrzeugbau Erfüllung der Brandschutzanforderung Mechanische Eigenschaften annähernd erfüllt Kosten der Fertigung verringern Institut für Strukturmechanik, 17 Lösung Bio-Verbund Schienenfahrzeugbau Serientauglichkeit gegeben Gefertigt Sommer 2002 Einbau Herbst 2002 Institut für Strukturmechanik, 18

10 Adaptives Cabriolet 0,5 Reduktion der Torsions- und Biegeschwingungen an der Cabrio- Karosserie mit Hilfe multifunktionaler Kreuzstreben Schwingungsamplitude 0,4 0,3 0,2 0,1 ohne Regelung mit Regelung 0, Frequenz in Hz Institut für Strukturmechanik, Lars.Herbeck@dlr.de 19 Multifunktionale Materialien und Bauweisenkonzepte Piezokeramik (Aktuator/Sensor) Basismaterial Sonox P53 (Ceramtec) Abmessungen: 30 x 50 x 0,2 mm 3 Leichtbaumaterial al 4 A: Kreissegemente 4 B: Kontaktierung über Kabel (Integration) 4 C: Kontaktierung über Lötstellen (Applikation) 4 D: Streifenanordnung z.b. CFK: Kohlefasern & Epoxy Institut für Strukturmechanik, Lars.Herbeck@dlr.de 20

11 Aktive Schwingungs- und Lärmreduktion (1) PKW-Dachblech (Bora) Aktive Lärmreduktion im Pkw- Innenraum durch verteilte Sensorik und Aktuatorik in den schwingenden Hautfeldern Institut für Strukturmechanik, 21 Aktive Schwingungs- und Lärmreduktion (2) Experimentelle Schwingungsanalyse Durchführung der experimentellen Schwingungsanalyse Anregung der PKW-Karosserie durch einen Shaker Schwingungsanalyse mit einem Laser Scanning Vibrometer Institut für Strukturmechanik, 22

12 Von der Manufaktur zur Produktion Pulltrusions- Verfahren Wickel- Verfahren Press- Verfahren Manuelles Laminieren Prepreg- Verfahren RTM- Verfahren Steigender Automatisierungsgrad Institut für Strukturmechanik, Ford Programmable Preforming Process (F3P TM ) Kostengünstige Halbzeuge Automatisierte Faser-Ablage Konsolidieren und Stabilisieren Automated robotic and computer controlled preforming process for fabricating glass fiber and carbon fiber used in RTM/SRIM of composite automotive parts Quelle: Ford Serientaugliche Preforms in großer Stückzahl Entformen der Preforms Institut für Strukturmechanik, Lars.Herbeck@dlr.de 25

13 Zusammenfassung und Ausblick Faserverbundwerkstoffe haben ein hervorragendes Leichtbaupotential Faserverbundwerkstoffe sind anders als Metalle => Entwicklungskette der Faserverbundwerkstoffe Die Kleinserie ist für Faserverbundwerkstoffe im Automobilbau erschlossen Für Innenanwendung sind die Bio-Verbunde eine gute Alternative Für die Massenanwendung müssen die Materialpreise und Fertigungskosten drastisch sinken (Produktionskette) und die Recyclingfrage geklärt werden Institut für Strukturmechanik 26 Besuchen Sie uns in Halle 7, Stand B703 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Strukturmechanik Tel.: HIGH END ENGINEERING Wolfsburg GmbH Tel.: Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!