Hybrider Leichtbau. wbk Institut für Produktionstechnik. Ein Beitrag zur Ressourcenschonung Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer Stuttgart,

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1 Hybrider Leichtbau Ein Beitrag zur Ressourcenschonung Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer Stuttgart, wbk Institut für Produktionstechnik KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Gliederung Ressourcenschonung durch hybriden Leichtbau Motivation Metallischer Leichtbau Faserverbundbasierter Leichtbau Hybridisierung von Metallen mit Faserverbundwerkstoffen Zusammenfassung und Ausblick wbk Institut für Produktionstechnik

3 Motivation Ressourcenschonung am Beispiel: Verkehr der Zukunft Verkehr Emittiert 20 % des Verbraucht 70 % CO 2 des Mineralöls Lösungsansätze Weniger CO 2 Emissionen Höhere Energieeffizienz Energieeffiziente und klimaschonende Fahrzeuge werden in Zukunft von entscheidender Bedeutung sein. Leichtbau ist hierbei ein wichtiger Lösungsansatz: Eine Gewichtsreduktion von 100 kg bedeutet eine Einsparung von 0,3 l Kraftstoff pro 100 km wbk Institut für Produktionstechnik

4 Motivation Leichtbau im Automobil Metallischer Leichtbau Faserverbundbasierter Leichtbau Aluminium Magnesium Hochfeste Stähle Daimler Daimler GFK (SMC) CFK (RTM) Audi Daimler Daimler Daimler Hybrider Strukturen Leichtbau Multi-Material Design Gefügte Hybride Integralbauweisen / Grenzflächen wbk Institut für Produktionstechnik

5 Agenda Ressourcenschonung durch hybriden Leichtbau Motivation Metallischer Leichtbau Faserverbundbasierter Leichtbau Hybridisierung von Metallen mit Faserverbundwerkstoffen Zusammenfassung und Ausblick wbk Institut für Produktionstechnik

6 Metallischer Leichtbau Metallischer Leichtbau am wbk - Forschungszentrum Transregio 10 Im Bereich von Sportwagen werden selbsttragende Fahrgastzellen in Schalenbauweise und aus Metallblech immer öfter ersetzt durch sogenannte space-frame Strukturen. space-frame Strukturen Massenproduktion Metallblechschalenbauweise Kleinserienproduktion Erstellung einer neuen Prozesskette für eine flexible Produktion von leichten Rahmenstrukturen Volkswagen Profilextrusion und Konturgebung Synchrone Führung und Zuschnitt Flexible Fertigung Kompensation von Abweichungen Integrierte Qualitätssicherung Vorrichtungslose Montage Integration von Formgebung, Zuschnitt und Fügen für die flexible Produktion von Leichtbaustrukturen wbk Institut für Produktionstechnik

7 Metallischer Leichtbau Multi-Material Design Die Produktion von gewöhnlichen Tragstrukturen wird beherrscht und kann bei hoher Produkt- und Komponentenqualität vollautomatisiert werden. Multi-Material Design Unterschiedliche Materialien Aluminiumlegierungen Stahlkomponenten Magnesiumlegierungen Laserschweißen Nieten Punktschweißen Kleben BMW im automatisierten Einsatz In Bezug auf die existierenden Ansätze wird bei metallischen Tragstrukturen eine weitere Gewichtsreduzierung zunehmend schwieriger und kostenintensiver. Eine weitere Gewichtsreduzierung kann nur über neue Ansätze erzielt werden. --> Faserverbundbasierter Leichtbau wbk Institut für Produktionstechnik

8 Agenda Ressourcenschonung durch hybriden Leichtbau Motivation Metallischer Leichtbau Faserverbundbasierter Leichtbau Hybridisierung von Metallen mit Faserverbundwerkstoffen Zusammenfassung und Ausblick wbk Institut für Produktionstechnik

9 Faserverbundbasierter Leichtbau Fertigungsverfahren für endlosfaserverstärkte Kunststoffbauteile Endlosfaserverstärkte Kunststoffe sind metallischen Werkstoffen in vielen Bereichen überlegen, zum Beispiel bei der spezifischen Steifigkeit und Festigkeit. Fertigungsverfahren für endlosfaserverstärkte Kunststoffe Vorimprägnierte Halbzeuge Trockene textile Halbzeuge Verringern der Taktzeiten Autoklavverfahren Wickelverfahren Pressverfahren Verringern der Taktzeiten Handlaminieren Wickelverfahren Harzinfusionsverfahren Pultrusionsverfahren Die Fertigungskosten sind im Vergleich zu metallischen Werkstoffen immer noch sehr hoch. Als Gründe sind hauptsächlich der hohe Anteil an manuellen Tätigkeiten und hohe Materialkosten zu nennen. Zum aktuellen Zeitpunkt sind CFK-Bauteile nur in High-End- Anwendungen verbreitet wbk Institut für Produktionstechnik

10 Faserverbundbasierter Leichtbau RTM-Prozesskette zur Fertigung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen RTM Prozesskette Zuschnitt Transport Preform Transport Infiltrieren Transport Finish 2D Kontur 3D Kontur Trockenes Textil Fixierter Preform Ausgehärtetes Bauteil Die Gründe für eine nicht wirtschaftliche Produktion in der automatisierten Prozesskette, liegen in den folgenden Prozessschritten, und den hohen Materialkosten: Automatisierte Handhabung, Preforming, Infiltration, Nachbearbeitung und Qualitätssicherung wbk Institut für Produktionstechnik

11 Agenda Ressourcenschonung durch hybriden Leichtbau Motivation Metallischer Leichtbau Faserverbundbasierter Leichtbau Hybridisierung von Metallen mit Faserverbundwerkstoffen Zusammenfassung und Ausblick wbk Institut für Produktionstechnik

12 Hybridisierung von Metallen mit Faserverbundwerkstoffen Einführung Hybridisierung Unterschiedliche Belastungssituationen erfordern unterschiedliche Materialien. Um den höchsten Leichtbaugrad zu erzielen, müssen mehrere Werkstoffe in einem Bauteil eingesetzt und in hybrider Weise verbunden werden. Bauteilauslegung mittels Simulation Zugbelastungen Druckbelastungen Quelle: Mechanical Engineering wbk Institut für Produktionstechnik

13 Hybridisierung von Metallen mit Faserverbundwerkstoffen Übersicht Hybridisierung Die Produktionstechnologie für Hybridbauteile hängt ab vom Kraftfluss, den Grenzflächen der Bauteile und deren Form. Fertigungstechnik Bauteilauslegung BMW Optimierung der Grenzflächen und der Formen der Fügepartner Die Auslegung der Bauteile erfolgt nach dem Kraftfluss und den funktionalen Anforderungen Brock Optimale Hybridisierung Fertigungstechniken Abfolge der Prozessschritte Freiheiten beim Zusammenführen der Prozessketten Ziel der Hybridisierung ist es das richtige Material an die richtige Stelle zu bringen. Zum Beispiel in druck- und scherbelasteten Bereichen Metalle und in zugbelasteten Bereichen endlosfaserverstärkte Kunststoffe wbk Institut für Produktionstechnik

14 Hybridisierung von Metallen mit Faserverbundwerkstoffen Zusammenführung der Einzel-Prozessketten Schematische Darstellung des Hybridisierungs-Prozesses: Einzelne Prozessketten Zusammengeführte Prozesskette Prozesskette Metall Prozesskette endlos faserverstärkter Kunststoffe Ziel: Die Hybridisierung muss an einem ökonomisch und technologisch sinnvollem Punkt erfolgen Hybride Prozesskette Hybridisierungspunkt Hybridbauteil In diesem Zusammenhang wird die Hybridisierung als eine Kombination aus mindestens zwei Materialien in einem Bauteil verstanden: Die Bauweise ist stets integral. Unter intrinsischen Hybriden sind dabei integrale Bauteile zu verstehen, bei denen die Verbindung der Materialien im Ur- bzw. Umformprozess der metallischen oder endlosfaserverstärkten Komponente erfolgt wbk Institut für Produktionstechnik

15 Hybridisierung von Metallen mit Faserverbundwerkstoffen Hybridisierung am wbk - Entwicklung von Insertstrukturen Zielsetzung Vorgehen Realisierung einer leichten, steifen und hochbelastbaren Verbindungstechnologie Entwicklung neuer Insertstrukturen, angepasst an die Erfordernisse von kohlenstofffaser-verstärktem Kunststoff. Vergleich mit dem Stand der Technik Faserverstärkter Kunststoff Metall-Insert Getestete Insertstrukturen und deren Kraft wbk-entwicklung weist eine gesteigerte Zugkraft gegenüber der Referenz um über 300% auf wbk Institut für Produktionstechnik

16 Hybridisierung von Metallen mit Faserverbundwerkstoffen Die Schritte zum profitablen Produkt Steigerung der Wirtschaftlichkeit von hybriden Produkten Nachträgliches Fügen von Metall und endlos- faserverstärkten- Kunstoffen Zwei separate Prozessketten nachträglicher Fügeprozess wie bspw. Kleben, Schrauben, Nieten,.. Intrinsische Hybridisierung von endlosfaser- verstärkten- Kunststoffen und Metallen Bauteilauslegung hängt ab vom Kraftfluss, der idealen Kraftanbindung der Endlosfasern Integration zusätzlicher Funktionen: Hohes Maß an Funktionsintegration Fluidleitungen Wärmedämmung eingebettete Sensoren und Aktuatoren Hybridisierung zu einem ökonomisch und technisch sinnvollen Zeitpunkt Hybrid- Produktions- Technologien nutzen die Synergieeffekte beim Verbinden der Materialien Böllhoff?? wbk Institut für Produktionstechnik

17 Agenda Ressourcenschonung durch hybriden Leichtbau Motivation Metallischer Leichtbau Faserverbundbasierter Leichtbau Hybridisierung von Metallen mit Faserverbundwerkstoffen Zusammenfassung und Ausblick wbk Institut für Produktionstechnik

18 Zusammenfassung und Ausblick Kooperation über alle Disziplinen hinweg Metallkonstruktion Audi? FVK-Konstruktion VW Durch den hybriden Leichtbauansatz werden die richtigen Materialien an den richtigen Stellen eingesetzt. Daraus resultiert eine höhere Gewichtseinsparung bei Erhalt der Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu bisherigen Leichtbauansätzen. Mit einem breiten Einsatz über alle Fahrzeugklassen hinweg, ist der Beitrag zur Ressourcenschonung am größten. Für eine erfolgreiche Umsetzung ist eine enge Zusammenarbeit aller beteiligten Disziplinen erforderlich wbk Institut für Produktionstechnik

19 Zusammenfassung und Ausblick Kooperation über alle Disziplinen hinweg Hybrid-Konstruktion Metallkonstruktion Materialeffizienz FVK-Konstruktion Gewichtseffizienz Audi Kraftstoffeinsparung VW Ressourceneffizienz Durch den hybriden Leichtbauansatz werden die richtigen Materialien an den richtigen Stellen eingesetzt. Daraus resultiert eine höhere Gewichtseinsparung bei Erhalt der Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu bisherigen Leichtbauansätzen. Mit einem breiten Einsatz über alle Fahrzeugklassen hinweg, ist der Beitrag zur Ressourcenschonung am größten. Für eine erfolgreiche Umsetzung ist eine enge Zusammenarbeit aller beteiligten Disziplinen erforderlich wbk Institut für Produktionstechnik

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer Institutsleitung Werkzeugmaschinen und Handhabungstechnologie Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) wbk Institut für Produktionstechnik Kaiserstraße 12 Tel.: +49 (0) Karlsruhe Fax: +49 (0) wbk Institut für Produktionstechnik