1
Institut für Strukturmechanik 1
Dr. L. Herbeck, DLR
Dr. B. Schweitzer, HEE
Faserverbund Know-how aus der Luft- und Raumfahrt für die Automobilindustrie
Zulieferbörse 27. März 2003, Vortragsreihe: Werkstoffe/Fertigung
Institut für Strukturmechanik 2
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
2
Institut für Strukturmechanik 3
Faserverbundwerkstoffe in der Raumfahrt
Institut für Strukturmechanik
Projekt Solar SailAufrollbare CFK-MastenGewicht 100g/mHohe BiegesteifigkeitThermisch neutral
Institut für Strukturmechanik 4
Faserverbundwerkstoffe in der Luftfahrt
Rear Pressure Bulkhead:CFRP, RFI with NCF
Horizontal Tail Plane:IM Fiber, ATL for TorsionBox and Elevators
Vertical Tail Plane:IM Fiber, ATL for TorsionBox and Rudders
Wing: GlassThermoplastic
J-nose
CFRP Outer Flaps:CFRP, ATL
Center Wing Box:HT & IM Fiber, ATL
Un-pressurized Fuselage: solid laminated CFRP, AFP
Flap Track Panels: CFRP
Floor Beamsfor upper Deck:
CFRP, continuous Process
Quelle: Airbus, Hinrichsen Paris 2002
Faserverbund-Anteil 22% - 24%
3
Institut für Strukturmechanik 5
Prozesskette Faserverbundwerkstoffe
EntwurfBauweisen- und Strukturkonzepte
Konstruktion, Dimensionierung
Fertigung,
Demonstratoren,
Prototypen
Grad der Konkretisierung
Anwendungsnähe
Von der Idee bis zum Prototypen
und darüber hinaus
Qualifikation
MontageBetrieb
Reparatur
Institut für Strukturmechanik 6
Möglichkeiten und Grenzen der FVW im Automobilbau
4 Gewicht und Kosten
4 Einfluss der SeriengrößehEinzelteilfertigung
Bsp. Motorsport, Show-Car, 1-LiterautohKleinserien Bsp. Nischen-FahrzeugehGroßserien?
4 RecyclinghLösung Bio-Verbundwerkstoffe
4 FunktionsintegrationBsp. Adaptronik
4
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 7
Leichtbau im Automobil
Quelle: VW, Winterkorn, Dresden 2002
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 8
Was darf Leichtbau kosten
€ / kg € / Gew. -%Raumfahrt 5.000 5.000.000Großraumflugzeug 500 500.000Regionalflugzeug 250 50.000Auto 5 50
Tolerierbare Mehrkosten für eine Gewichtsminderungum 1kg bzw. 1% vom Gesamtgewicht, (Größenordnungen)
5
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 9
Entwicklung der Produktionsraten und -Kosten
Bsp. Kohlenstofffaser
Quelle: Zoltek
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 10
Motorsport und Prototypen mit sehr großem CFK-Anteil
Monococque, Spoiler, ...
Einzelstücke bzw. sehr kleine Serien
VW 1-Liter-Auto
Außenhaut, Bodengruppe, ... Quelle: VW
Formel 1
Quelle: Sauber
6
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 11
Nischenfahrzeuge mit großem CFK-Anteilen
BMW M3 CSL Porsche Carrera GT
Kleine bis mittlere Serien
Quelle: VW, Winterkorn, Dresden 2002
Monococque und gesamter Aggregateträger, Unterboden, abnehmbaren Dachhälften
Quelle: Porsche
Flaps, Frontschürze, Dach, Heckdiffusor, Frontschürze, Tür-und Seitenverkleidungen sowie die Mittelkonsole
Quelle: BMW
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 12
Quelle: BMW
Groß-Serieneinsatz von CFK?
BMW Group bereitet Serieneinsatz von CFK vor
Recycling ungelöst!?
7
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 13
EU-Altautoverordnung
Quelle: VW, Winterkorn, Dresden 2002
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 14
Lebenszyklus von Bio-Verbunden
Werkstoffrecycling?
Kompostierung
Thermische Verwertung
Rohstoffrecycling
8
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 15
Erwartungen an den Bio-Verbund
• Mechanisch belastbar wie GFK
• Temperaturbeständig
• Feuchtigkeitsbeständig
• Formstabil
• Effizient verarbeitbar und
• Wirtschaftlich
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 16
• Mechanische Eigenschaften wurden erfüllt
• Gute Verarbeitbarkeit
• Leichte Probleme beim Fogging
• Kompostierung als Entsorgung möglich
• Matrix zu teuer
Automobil Türverkleidung
9
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 17
• Erfüllung der Brandschutzanforderung
• Mechanische Eigenschaften annähernd erfüllt
• Kosten der Fertigung verringern
Beispiel Bio-Verbund Schienenfahrzeugbau
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 18
• „Serientauglichkeit gegeben“
• Gefertigt Sommer 2002
• Einbau Herbst 2002
Lösung Bio-Verbund Schienenfahrzeugbau
10
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 19
Reduktion der Torsions- und Biege-schwingungen an der Cabrio-Karosserie mit Hilfe multifunktionaler Kreuzstreben
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 320,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
ohne Regelung mit Regelung
Schw
ingu
ngsa
mpl
itude
Frequenz in Hz
Adaptives Cabriolet
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 20
Multifunktionale Materialien und Bauweisenkonzepte
Piezokeramik (Aktuator/Sensor)
Basismaterial Sonox P53 (Ceramtec)Abmessungen: 30 x 50 x 0,2 mm3
Leichtbaumaterial
4 A: Kreissegemente
4 B: Kontaktierung über Kabel (Integration)
4 C: Kontaktierung über
Lötstellen (Applikation)
4 D: Streifenanordnung
Leichtbaumaterial
z.B. CFK: Kohlefasern &
Epoxy
11
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 21
PKW-Dachblech (Bora)
Aktive Lärmreduktion im Pkw-Innenraum durch verteilte Sensorik und Aktuatorik in den schwingenden Hautfeldern
Aktive Schwingungs- und Lärmreduktion (1)
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 22
Aktive Schwingungs- und Lärmreduktion (2)
Durchführung der experimentellen Schwingungsanalyse
→ Anregung der PKW-Karosserie durch einen Shaker
→ Schwingungsanalyse mit einem Laser Scanning Vibrometer
Experimentelle Schwingungsanalyse
12
SteigenderAutomatisierungsgrad
Von der Manufaktur zur Produktion
Prepreg-Verfahren
RTM-Verfahren
ManuellesLaminieren
Wickel-Verfahren
Press-Verfahren
Pulltrusions-Verfahren
Institut für Strukturmechanik, [email protected]
Institut für Strukturmechanik, [email protected] 25
Ford Programmable Preforming Process (F3PTM)
Automated robotic and computer controlled preforming process for fabricating glass fiber and carbon fiber used in RTM/SRIM of composite automotive parts
Quelle: Ford
Kostengünstige Halbzeuge Automatisierte Faser-Ablage Konsolidieren und Stabilisieren
Entformen der PreformsSerientaugliche Preformsin großer Stückzahl
13
Institut für Strukturmechanik 26
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
Besuchen Sie uns in Halle 7, Stand B703
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
[email protected] – END ENGINEERINGWolfsburg GmbH
Tel.: 05361 55 87 05
[email protected] Zentrum fürLuft- und RaumfahrtInstitut für StrukturmechanikTel.: 0531 295 2310