Faser trifft Metall

Der Leichtbau mit Stahl und Aluminium stößt bereits an seine Grenzen. Im Projekt MultiMak2 im Rahmen der Open Hybrid LabFactory (OHLF) arbeitet IAV darum gemeinsam mit Partnern an neuen Lösungen auf Basis eines Multimateriamixes, bei dem Verbundwerkstoffe eine wichtige Rolle spielen. Die neuartigen Komponenten sollen nicht nur leicht, sondern auch großserientauglich und damit kostengünstig herzustellen sein.

IAV entwickelt im Projekt MultiMak2 gemeinsam mit weiteren OHLF-Partnern wie beispielsweise der Technischen Universität Braunschweig und der Volkswagen AG einen Fahrzeugtunnel und einen Federbeindom. Auf beide Bauteile wirken starke Kräfte: Der Fahrzeugtunnel ist das Kernstück der Karosserie. Er schafft Bauraum – beispielsweise für eine Kardanwelle oder den Abgasstrang –, trägt aber auch signifikant zur Steifigkeit der Karosserie bei. Der Federbeindom ist ebenfalls hochbelastet. Er leitet zum Beispiel Kräfte von der Vorderachse in die Karosserie ein und muss im Frontcrash Lasten übertragen.

„Bis jetzt haben die OEMs hier sehr häufig auf immer hochfestere Stähle gesetzt“, berichtet Siegfried Waubke, Senior-Projektleiter Leichtbau bei IAV. „Dadurch wurden die Bleche immer dünner, was zu weniger Materialeinsatz und einem geringeren Gewicht führte.“ Inzwischen stößt dieser Ansatz aber an seine Grenzen: Die modernen Stähle sind prozesstechnisch deutlich komplexer, sowohl in der Werkstoffherstellung als auch in der Weiterverarbeitung, was schlussendlich die Kosten nach oben treibt. Aufgrund dessen geraten immer häufiger Leichtmetalle wie Aluminium in den Fokus. Aber auch hier existieren Grenzen. Der Gewichtsvorteil von Leichtmetallen kann häufig nicht komplett genutzt werden, da aufgrund von deren geringeren Festigkeiten und Steifigkeiten die Wandstärken gegenüber denselben Bauteilen aus Stahl zum Teil deutlich dicker dimensioniert werden müssen.

Hier bieten sich als Ergänzung zu den klassischen Materialien Faserverbundwerkstoffe wie GFK und CFK an. Die beiden Verbundwerkstoffe garantieren hohe Festigkeit und Steifigkeit. „Im Projekt MultiMak2 wollen wir darum Metalle an kritischen Stellen mit CFK oder GFK verstärken, sodass der Verbundwerkstoff Kräfte aufnimmt und die Komponenten leichter werden“, erklärt Waubke. „Die Faserverbundwerkstoffe führen zwar zu höheren Kosten, aber das Ziel ist es, durch hohe Stückzahlen und veränderte Herstellungsprozesse in der Serienproduktion diesen Nachteil zumindest teilweise wieder auszugleichen.“

Beispielsweise durch den Einsatz von Thermoplasten anstelle von Duroplasten für die Verbundwerkstoffe: Thermoplaste haben einen niedrigen Schmelzpunkt und können großserienmäßig mittels Spritzguss verarbeitet werden, das heißt die Fasermatrix wird in einem Schuss im Werkzeug mit Kunststoff umspritzt, wodurch relativ kurze Taktzeiten erreicht werden. „Dadurch können wir in der gleichen Zeit ca. drei- bis viermal mehr Bauteile herstellen als mit duroplastischer Matrix“, sagt Waubke.

Neben den Kosten führt auch die Kombination der unterschiedlichen Werkstoffe zu großen technischen Herausforderungen. Einerseits müssen die Metalle und die Faserverbundwerkstoffe fest miteinander verbunden werden – etwa durch Klebeverfahren. Andererseits weisen sie ein völlig unterschiedliches Temperaturverhalten auf (Delta-Alpha-Problem), was bei Temperaturschwankungen, beispielsweise der kathodischen Tauchlackierung (KTL), zu Problemen führen kann. „Aluminium und Stahl dehnen sich bei Erwärmung stärker aus als CFK“, so Waubke. „Dadurch kann es an den Schnittstellen zu Rissen kommen. Hier müssen wir die optimalen Materialkombinationen und Fügeverfahren finden.“ Dies werden die Entwickler im Technikum der Open Hybrid LabFactory zusammen mit den Fertigungsspezialisten erforschen.

Mittlerweile ist die Konzeptphase von MultiMak2 abgeschlossen, in der die Leichtbau-Experten sechs verschiedene Ansätze unter anderem in puncto Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit, Kosten und Ökobilanz grob bewertet haben. „Die Betrachtung des kompletten Lebenszyklus ist ein wichtiger Teil von MultiMak2“, so Waubke. „Wir sehen uns den ‚ökologischen Fußabdruck‘ von der Rohstoffgewinnung bis zum Recycling im Detail an – es ist nämlich denkbar und wünschenswert, dass zum Beispiel durch die Kohlendioxid-Einsparung während der Fahrzeugnutzung aufgrund des Leichtbaus die CO2-Erzeugung bei der Gewinnung und Entsorgung des Materials mehr als kompensiert werden könnte.“