Faserverbund Know-how aus der Luft- und Raumfahrt für die ... · Un-pressurized Fuselage: solid laminated CFRP, AFP Flap Track Panels: CFRP Floor Beams for upper Deck: CFRP, continuous

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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


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

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Faserverbundwerkstoffe in der Raumfahrt

Institut für Strukturmechanik

Projekt Solar SailAufrollbare CFK-MastenGewicht 100g/mHohe BiegesteifigkeitThermisch neutral


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%

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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


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


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)

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Entwicklung der Produktionsraten und -Kosten

Bsp. Kohlenstofffaser

Quelle: Zoltek


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

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Nischenfahrzeuge mit großem CFK-Anteilen

BMW M3 CSL Porsche Carrera GT

Kleine bis mittlere Serien


Monococque und gesamter Aggregateträger, Unterboden, abnehmbaren Dachhälften

Quelle: Porsche

Flaps, Frontschürze, Dach, Heckdiffusor, Frontschürze, Tür-und Seitenverkleidungen sowie die Mittelkonsole

Quelle: BMW


Quelle: BMW

Groß-Serieneinsatz von CFK?

BMW Group bereitet Serieneinsatz von CFK vor

Recycling ungelöst!?

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EU-Altautoverordnung



Lebenszyklus von Bio-Verbunden

Werkstoffrecycling?

Kompostierung

Thermische Verwertung

Rohstoffrecycling

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Erwartungen an den Bio-Verbund

• Mechanisch belastbar wie GFK

• Temperaturbeständig

• Feuchtigkeitsbeständig

• Formstabil

• Effizient verarbeitbar und

• Wirtschaftlich


• Mechanische Eigenschaften wurden erfüllt

• Gute Verarbeitbarkeit

• Leichte Probleme beim Fogging

• Kompostierung als Entsorgung möglich

• Matrix zu teuer

Automobil Türverkleidung

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• Erfüllung der Brandschutzanforderung

• Mechanische Eigenschaften annähernd erfüllt

• Kosten der Fertigung verringern

Beispiel Bio-Verbund Schienenfahrzeugbau


• „Serientauglichkeit gegeben“

• Gefertigt Sommer 2002

• Einbau Herbst 2002

Lösung Bio-Verbund Schienenfahrzeugbau

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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


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

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PKW-Dachblech (Bora)

Aktive Lärmreduktion im Pkw-Innenraum durch verteilte Sensorik und Aktuatorik in den schwingenden Hautfeldern

Aktive Schwingungs- und Lärmreduktion (1)


Aktive Schwingungs- und Lärmreduktion (2)

Durchführung der experimentellen Schwingungsanalyse

→ Anregung der PKW-Karosserie durch einen Shaker

→ Schwingungsanalyse mit einem Laser Scanning Vibrometer

Experimentelle Schwingungsanalyse

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SteigenderAutomatisierungsgrad

Von der Manufaktur zur Produktion

Prepreg-Verfahren

RTM-Verfahren

ManuellesLaminieren

Wickel-Verfahren

Press-Verfahren

Pulltrusions-Verfahren

Institut für Strukturmechanik, [email protected]


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

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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

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