Chancen und Herausforderungen des Faserverbundleichtbaus im Hinblick auf eine automatisierte Fertigung

 

 

Leichtbaustrategie – leicht gewählt?

Gewichtsentwicklung am Beispiel des Ford Fiesta je nach gewählter Leichtbaustrategie

Höhere Anforderungen in den Bereichen Komfort, Entertainment und Sicherheit haben das Gewicht von Personenfahrzeugen in der Vergangenheit deutlich steigen lassen. Mit passivem Leichtbau, also der nachgeschalteten Materialreduzierung, hat die Automobilindustrie schließlich in den vergangenen zehn Jahren versucht, das Fahrzeuggewicht in den Griff zu bekommen. Vor dem Hintergrund der EU-Verordnung zur Verminderung der CO2-Emissionen reicht eine Gewichtsstagnation für die Zukunft aber nicht mehr aus – vielmehr gilt es, die Gewichtsentwicklung umzukehren.  Mit Hilfe des aktiven Leichtbaus, also der Verwendung leichterer Materialien und Bauweisen, könnte der CO2-Ausstoß bis 2020 auf durchschnittlich 95 g/km gesenkt werden.

 

Der Anteil des reinen Fahrzeuggewichtes am Gesamtenergieverbrauch und folglich am CO2-Ausstoß liegt bei lediglich 12 bis 23 Prozent. Das Gewicht des Fahrzeugs selbst ist damit nicht alleiniger Verursacher der auftretenden Emissionen. Als mögliche Zielgröße innerhalb der Fahrzeugentwicklung tragen die diesbezüglich eingeleiteten Maßnahmen aber zur aktiven Reduzierung bei und daher zur Umkehr der sogenannten „Gewichtsspirale“ im Automobilbau.

Faserverbund-Leichtbau – Potential nutzen und Ziel erreichen

Große Erwartungen steckt man hierfür in die Verwendung von Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen (FVK), vor allem mit endloser Kohlefaserverstärkung, da diese gegenüber sonst zur Anwendung kommenden Materialien durch die gezielte Ausnutzung der anisotropen Eigenschaften ein hohes gewichtsspezifischen Potential mit sich bringen.

Umkehr der Gewichtsspirale durch aktiven Karosserieleichtbau in Multi-Material-Bauweise

In der Vergangenheit zeigte sich jedoch, dass ein Black-Metal-Ansatz (vollständige Metallsubstitution durch CFK), egal ob als reine Bauteileinzel- oder Fahrzeugkomplettlösung, nicht die gewünschten Erfolge mit sich brachte. Eine gesamtheitliche Betrachtung bezüglich aller Fahrzeugkomponenten, auftretenden Lasten und Materialien ist die Folge. Als Schlüssel für den anforderungsgerechten Leichtbau am Fahrzeug gilt daher die Multi-Material-Bauweise.

FVK-Bauteil – eine Frage der Kosten und Qualität

Im Fokus der Automobilindustrie liegen Bauteile, die ein hohes Maß an Wirtschaftlichkeit und Qualität mit sich bringen. Dies gilt auch für die Gruppe der Faserverbundbauteile. Mehrkosten werden dabei in Kauf genommen, wenn ein entsprechender Mehrwert in Form von Gewichtsersparnis oder Funktionserweiterung realisiert werden kann. Im Zuge der EU-Verordnung sind sogar Mehrkosten von bis zu zehn Euro je eingespartem Kilogramm tolerabel, um den vorgesehen Strafzahlungen zu entgehen.

Mehrkostengrenzen für positiven Businesscase eines Automobilherstellers mit Fahrzeugen im Segment A bis F (Quelle: 3C cost calculation consulting GmbH)

Neben höheren Kosten für die Ausgangsmaterialien (Halbzeuge, Harze) gegenüber den klassischen Materialien haben die zur Anwendung kommenden Produktionsverfahren einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität und damit die Gesamtkosten der Bauteile.

FVK-Fertigung – bereit für die Serie?

Die Komplexität der Materialien und Prozesse sowie der fehlende Überblick hinsichtlich neuer, sich rasch entwickelnder Technologien und Einzellösungen verzögern jedoch den Einsatz von endlosfaserverstärkten Verbundbauteilen in der Serie. Bei der aktuellen Herstellung handelt es sich eher um eine erfahrungsbasierte Fertigung mit einem hohen Anteil manueller und damit variierender Prozessschritte. Das gewünschte Ziel ist jedoch eine effiziente Serienfertigung durch eine objektive Prozessbetrachtung. Für Stückzahlen von bis zu 100.000Teilen pro Jahr bringt das closed-mould RTM-Verfahren das höchste Potential für eine industrielle CFK-Fertigung mit sich. Neben dem hohen Grad an Automatisierung ist gleichzeitig eine hohe Bauteilgüte erreichbar. Hierfür ist es jedoch erforderlich, so früh wie möglich in der Produktentwicklung die spezifischen Materialeigenschaften, Teilprozesstechnologien und deren toleranzbehafteten Randbedingungen der Fertigung zu berücksichtigen, um einen kosteneffizienten – also robusten, beschleunigten und qualitätsgetriebenen – Produktionsprozesses zu generieren.

Variantenvielfalt der einfachen RTM-Prozesskette im Überblick (Auswahl)

Die klassische Produktentwicklung nach dem Step-By-Step-Prinzip gilt es daher um Versuche, Messtechnik und Simulation zu erweitern. Durch die direkte Verknüpfung und iterative Erarbeitung wird so der Material- und Geometrie-Entstehung im Prozess selbst sowie der Verfahrensvarianten Rechnung getragen.

Bezahlbarer FVK-Leichtbau durch Industrie 4.0?

Zur Bewertung der Kosten unterschiedlicher Faserverbundtechnologien ist eine detaillierte Analyse der Produktionsrandbedingungen erforderlich. Während einmalige Kosten (z.B. aus der Beschaffung der Anlagentechnik) auf die Anzahl der produzierten Bauteile umgelegt werden, sind die wiederkehrenden Kosten (z.B. Arbeitskraft, Material) in voller Höhe einzubeziehen. In Abhängigkeit vom Produktionsumfang und den Bauteilanforderungen ergeben sich so unterschiedliche Strategien zur optimalen Gestaltung der Prozesskette. Es ist daher im Einzelfall zu prüfen, ob zum Beispiel die Beschleunigung eines Teilprozesses wirklich zur Kostenersparnis beiträgt, wenn sich dadurch ggf. die Ausschussquote erhöht. Eine Parallelisierung des Teilprozesses kann dann oftmals der bessere Weg sein. Hierfür ist in jedem Fall eine individuelle und detaillierte Kosten- und Risikoanalyse erforderlich, welche auf realen Daten laufender Prozesse basiert. Dies ermöglicht dann auch die konkrete Identifizierung von Kostentreibern und eine bauteilangepasste Prozessoptimierung.

Detaillierte Kosten- und Risikoanalyse zur Prozessgestaltung und Optimierung
Intelligente Prozessentwicklung als Basis für bezahlbaren FVK-Leichtbau im Sinne Industrie 4.0 (Quelle: DLR Braunschweig - PiDiR-Plattform)
MarK Opitz

Ein bezahlbarer FVK-Leichtbau im Sinne einer preiswerten Fertigung erfordert die Entwicklung automatisierter Produktionstechniken. Zu diesem Zweck ist es zwingend notwendig, geeignete Sensorik und Messsysteme zum kontinuierlichen Prozess- und Bauteilmonitoring zu implementieren. Einerseits wird es dadurch erst möglich die Phänomene und Interaktionen von FVK-Materialien und Prozessgrößen unter realen Fertigungsbedingungen zu verstehen. Andererseits kann die so erzeugte Intelligenz in der Produktion nach dem Gedanken von „Industrie 4.0“ zur Prozessanalyse, Weiterverarbeitung in Simulationsmethoden oder der aktiven Prozessgestaltung genutzt werden.

 


 Autor: Mark Opitz

Quellen:
Experiment-basierte Prozessgestaltung als Schlüssel zum bezahlbaren Leichtbau – Mark Opitz; Symposium Faszination Leichtbau, Wolfsburg; 2014
Flugzeuge auf der Straße - Neue Leichtbauinnovationen im Automobilbau – Dr. Andreas Rennet; www.online-artikel.de; 2011
Studie: Werkstoffinnovationen für nachhaltige Mobilität und Energieversorgung; VDI-Gesellschaft Materials Engineering, Düsseldorf; 2014
Zukunftsbild „Industrie 4.0“ – Hightech Strategie; Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bonn; 2014

 

 

 

Seminarempfehlungen

 

Zum kompletten Seminarangebot des Themenbereiches Leichtbau, Composites & Carbon