Leichtbaukarosserie

Elektromobilität leicht gemacht

Leichtbaukomponenten aus faserverstärkten Kunststoffen können Elektroautos dabei helfen, die geforderten Reichweiten zu erzielen, um am Markt gegenüber Benzinern konkurrenzfähig zu werden. Doch noch sind diese Bauteile unverhältnismäßig teuer: Durch die langen Zykluszeiten in der Fertigung eignen sie sich vor allem für Autos im Hochpreissegment. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen hat gemeinsam mit Partnern im Rahmen des Verbundprojekts »Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität II« Verfahren zur automatisierten Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile für die Großserie entwickelt, die die Kosten für den Leichtbau im Automobilbau senken können.

Leichtbau-Werkstoffe kommen im Elektroauto meist als Teile der Karosserie zum Tragen. Die Komponenten müssen daher nicht nur so leicht wie möglich sein, sondern gleichzeitig eine hohe Stabilität aufweisen. Denn im Falle eines Unfalls müssen diese Bauteile genauso hohen Kräften standhalten wie konventionelle Bauteile/ Komponenten aus massivem Stahl oder Aluminium.

Für die Herstellung der Leichtbau-Komponenten setzt das Fraunhofer IPT deshalb auf das automatisierte Tapelegen, mit dem sich thermoplastische Bauteile durch endlosfaserverstärkte Kohlenstoffaser-Tapes (CFK) an besonders belasteten Stellen lokal verstärken lassen.

Lokal verstärkt und hoch belastbar: Karosserie-Bauteile aus Kunststoff und Kohlefaser

Vorteil des Verfahrens aus der Kombination kostengünstiger Thermoplastbauteile mit den hochleistungsfähigen CFK-Tapes sind besonders die kurzen Zykluszeiten unter einer Minute sowie individuell einstellbare mechanische Eigenschaften des fertigen Bauteils. Dies, in Verbindung mit dem kostengünstigen Materialmix, rückt eine kostengünstigere Produktion von Elektrofahrzeugen wieder ein Stück näher.

Im Rahmen des Forschungsprojekts stellte das Fraunhofer IPT gemeinsam mit Partnern ein Beispielbauteil aus der Bodengruppe eines Elektromobils her, in dem die Batterie untergebracht wird. Eine lokal verstärkte Sandwich-Struktur dient dabei als Bodenplatte, die durch Ultraschallschweißen mit den Kunststoff-Seitenteilen verbunden wurde. Die Profile für die Seitenteile bestehen aus Organoblechen, die durch Thermoformprozesse hergestellt wurden. Der Seitenschweller selbst wurde im vollautomatisierten Tapelegen hergestellt. Zu all diesen Fertigungsverfahren sowie bei der Endbearbeitung der Bauteile konnte das Fraunhofer IPT das umfassende Prozesswissen ausbauen. Eine durchgängige CAx-Prozessdatenkette bildet die Grundvoraussetzung für die vollständige Automatisierung und Verknüpfung der aufeinander folgenden Fertigungsschritte.

Forschungsschwerpunkte

Das Fraunhofer IPT entwickelt im Projekt Systemforschung Elektromobilität eine großserientaugliche Leichtbau-Produktionstechnologie, die verschiedene Fertigungstechnologien beinhaltet. Ziel ist eine großserientaugliche Produktion für funktionsintegrierte, hybride Leichtbau-Karosseriebauteile zu ermöglichen.

Für die automatisierte Herstellung von faserverstärkten Leichtbaukomponenten ist eine Kombination verschiedener Fertigungsprozesse und Materialien notwendig. Diese bedingt gegenseitige Wechselwirkungen der einzelnen Verfahrensschritte:

• Thermoforming thermoplastischer Faserverbundkunststoffe,
• Lokales Verstärken mit UD-Tapes mittels laserunterstütztem Tapelegen,
• Funktionsintegration,
• Bauteil-Endbearbeitung,
• Handhabung von Halbzeugen mit Greifersystemen untereinander,
• Abbilden der gesamten Prozesskette in einer durchgängigen CAx-Datenkette.

Um Werkstoffe, vorwiegend Kohlenstofffasern, belastungsoptimiert und wirtschaftlich einzusetzen, ist die lokale Verstärkung unabdingbar. Insbesondere das laserunterstützte Tapelegen eignet sich hier aufgrund der Automatisierbarkeit, einem lastoptimalen Laminataufbau, Präzision, Geschwindigkeit und einer endkonturnahen Bauteilherstellung zur lokalen Verstärkung von hybriden Bauteilen.