In der Automobilindustrie stellt Leichtbau eine Schlüsseltechnologie dar. Durch ein geringes Fahrzeuggewicht kann Energie eingespart, die Fahrdynamik verbessert, bei Verbrennerfahrzeugen der CO₂-Ausstoß reduziert und bei Elektrofahrzeugen die Masse der Batterie ausgeglichen werden. FVK-Sandwichstrukturen bieten ein hohes Gewichteinsparungspotential. Hiermit ist es möglich, das Gewicht von Karosseriebauteilen stark zu reduzieren. In der Luft- und Raumfahrt sind FVK-Sandwichstrukturen bereits weit verbreitet. Um lokale Lasten aufnehmen zu können, werden sogenannte Inserts verwendet, welche die Kräfte großflächig in die Struktur einleiten. Die dort angewendeten Einbringungs- und Auslegungsverfahren sind für kleine Stückzahlen optimiert. Für eine automobile Großserienfertigung von FVK-Sandwichbauteilen eignet sich der „Resin Transfer Moulding“-Prozess (RTM-Prozess). Hierfür ist aktuell kein geeignetes Insert-Konzept bekannt. Im Rahmen der Arbeit wird daher ein Insert-Konzept erarbeitet, welches kostengünstig und schnell in RTM-Bauteile eingebracht werden kann und gleichzeitig eine hohe mechanische Belastbarkeit bei geringem Gewicht ermöglicht.

Zuerst erfolgt eine Betrachtung der Insert-Einbringung. Es soll ein allgemeines Einbringungsverfahren erarbeitet werden, mit dem die wichtigsten Insert-Typen integrierbar sind. Hierzu wird das Insert als Black Box betrachtet, welche später ausgestaltet werden kann. Bei der Suche nach einem geeigneten Einbringungsprozess wird die gesamte RTM-Prozesskette analysiert, bestehend aus Schäumprozess, Preforming-Prozess, RTM-Prozess und Nachbearbeitungsprozess. Dabei stellt sich heraus, dass eine Integration der Inserts während des Schäumprozesses am zielführendsten ist. Danach werden Prozessschritte modifiziert oder hinzugefügt, um die Einbringung der Inserts zu ermöglichen. Für die neuen Prozessschritte werden Teilfunktionen abgeleitet und technische Lösungen erarbeitet. Die Ergebnisse werden anschließend in einem morphologischen Kasten zusammengefasst, woraus dann Gesamtkonzepte für die Integration der Inserts abgeleitet werden. Im nächsten Schritt werden die Konzepte anhand einer Nutzwertanalyse bewertet. Beim Gewinnerkonzept wird ein Kunststoffdorn verwendet, welcher das Insert während der gesamten Prozesskette positioniert und abdichtet.

Danach erfolgt eine Betrachtung der Insert-Gestalt. Die Black Box des Inserts soll nun sinnvoll ausgestaltet werden. Es werden verschiedene Lasteinleitungskonzepte erarbeitet und hierfür Probekörper mit dem zuvor bestimmten Einbringungsverfahren hergestellt. Dadurch kann die prinzipielle Machbarkeit des Einbringungsverfahrens nachgewiesen werden. Die Probekörper werden dann für den kritischsten Lastfall, eine senkrechte Zugbelastung, quasistatisch geprüft. Daraufhin wird aus den experimentellen Ergebnissen ein parametrisches Simulationsmodell abgeleitet. Mit dem Modell soll die mechanische Belastbarkeit für verschiedene Insert-Geometrien bestimmt werden können. Anhand einer systematischen Variation und mithilfe eines evolutionären Algorithmus wird die Geometrie des Inserts variiert. Ziel ist hierbei eine Steigerung der mechanischen Belastbarkeit. Für die Geometrie mit der höchsten Steigerung werden nochmals Probekörper gefertigt und experimentell geprüft. Die Experimente zeigen, dass die mechanische Belastbarkeit durch die neue Geometrie signifikant gesteigert werden kann.

Schlagwörter: Produktionstechnik; Elektromobilität; Leichtbau; RTM; FVK; Sandwich; Evolutionäre Algorithmen

Forschungsberichte aus dem wbk, Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)