CFK-Antriebswelle mit Thermoplast-Matrix
Das Fraunhofer IAP entwickelt eine neuartige, sehr leichte CFK-Antriebswelle. Sie wird aus Prepregs mit thermoplastischer Matrix gefertigt.
Forschende am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP entwickeln eine neuartige CFK-Antriebswelle für Fahrzeuge, dessen Matrix aus Thermoplast besteht. Dies bietet gegenüber duroplastischen Systemen einen zusätzlichen Gewichtsvorteil, zudem sind thermoplastische CFK-Antriebswellen recyclebar.
Antriebswellen übertragen in Pkw und in Lkw die Kraft vom Getriebe auf die Räder und müssen dabei hohe Belastungen aushalten. Daher werden sie meist als mehrteilige Gelenkwellen aus Stahl-, Aluminium oder Titanlegierung hergestellt und sind entsprechend schwer.
Leichtbau mit CFK-Antriebswellen
Als Alternative stehen aktuell Antriebswellen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit duroplastischer Matrix zur Verfügung. Sie sind durch ihre geringere Dichte und weniger erforderliche Lagerstellen etwa 60 % leichter als ihre metallischen Pendants und zeichnen sich durch bessere mechanische Eigenschaften aus.
Trotzdem lassen sie sich in puncto Gewicht und Recyclingfähigkeit weiter optimieren. Dieser Aufgabe widmen sich Forschende der Fraunhofer-Projektgruppe „Zentrum für nachhaltige Leichtbautechnologien“ (Zenaleb). An dieser Projektgruppe wirken der Forschungsbereich Polymermaterialien und Composite Pyco des Fraunhofer IAP sowie Partner aus der Industrie mit. „Im ersten Schritt wollen wir gewickelte Antriebs- und Seitenwellen mit duroplastischer Matrix optimieren. Im zweiten Schritt entwickeln wir Wellen mit thermoplastischer Matrix“, fasst Felix Kuke, Leiter des Zenaleb, die Vorgehensweise zusammen.
Thermoplast-Prepregs mit Automated-Fiber-Placement
Antriebswellen mit duroplastischer Matrix werden derzeit mittels Filament Winding produziert. Bei diesem Herstellungsverfahren werden mit Harz getränkte Filamente unter Spannung um eine rotierende Achse gewickelt und in einem weiteren Schritt ausgehärtet. Die geplanten thermoplastischen Antriebs- und Seitenwellen hingegen werden mittels Automated-Fiber-Placement-Technologie (AFP) hergestellt
„Bei der AFP-Technologie werden Prepregs, also vorimprägnierte Bänder, die Carbonfasern enthalten, mittels eines Lasers erhitzt und anschließend robotergesteuert und vollautomatisiert auf einer sich drehenden Rotationsachse abgelegt. Eine zusätzliche Aushärtung ist nicht notwendig“, erläutert der Forscher.
Weitere Vorteile der AFP-Technologie: Die Bänder können während des Vorgangs abgeschnitten und an anderen Stellen abgelegt werden, wodurch sich neue Winkel, Wickelmuster und Formen erzielen lassen. Die Antriebswellen lassen sich also frei umwickeln. Im Gegensatz zum Filament Winding ist man nicht an vorgegebene Wickelmuster gebunden.
Dies führt zu einem besseren Leichtbaugrad gegenüber den aktuellen duroplastischen Bauweisen. Im Vergleich zu stahlbasierten Antriebswellen ist eine Einsparung des Gewichts von mehr als 65 % möglich. „Der AFP-Prozess ermöglicht es Herstellern, hohe Produktivitätsraten zu erzielen. Unser Ziel ist es, das Fertigungskonzept für eine großserientaugliche Herstellung umzusetzen“, so Kuke.
Digitale Überwachung des Produktlebenszyklus
Um die komplette Prozesskette nachverfolgen und so den CO2-Fußabdruck senken zu können, soll der Produktlebenszyklus – von der Herstellung des Grundwerkstoffs bis hin zum Recycling – mithilfe integrierter Sensorik abgebildet und überwacht werden. Hierfür werden faseroptische Sensoren und Dehnungsmessstreifen in die Antriebswellen eingewickelt. Auch die Anlagen werden entsprechend ausgerüstet.
Die Prepregs sind bereits mit einem QR-Code versehen, der Auskunft über die verwendete Faser sowie das Matrixsystem gibt, was wiederum entscheidend fürs Recycling ist.
Durch die Integration von Product-Branding-Konzepten und Sensorsystemen lässt sich die Herstellung der neuen Wellen ökologisch bewerten und der erforderliche Energie- und Ressourcenverbrauch ermitteln. Digitalisierungs- und Simulationstools in Form eines digitalen Zwillings unterstützen die Steigerung des Leichtbaugrads sowie die Qualitätssicherung. „Mit geeigneten Digitalisierungstools sind wir in der Lage, ganze Baugruppen rechnerisch auszulegen“, sagt der Forscher. mg
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