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CFK im Automobil –Ein weiter Weg?

Prof. Dr.-Ing. Martin WiedemannInstitut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V

Kunststofftrends im AutomobilKunststofftrends im Automobil28. September 201128. September 2011

CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 2

Was macht CarbonFaser verstärkten Kunststoff (CFK) für

Fahrzeugstrukturen so attraktiv?


Specific Strength and Strain of Lightweight Metals and UD Composite Laminates

Wood

AlMgZnSteel (12%Cr)

UD AFK (Kevlar)

UD GFK (60% FVG)

UD Flax & Phenol

Titan

NiCr 20 TiAl

Short Fiber GMT/LFT

UD CFK (60% FVG) UTS

UD CFK (60% FVG) IM

UD CFK (60% FVG) UMS

100

2100

4100

6100

8100

10100

12100

14100

16100

0 25 50 75 100 125 150 175 200

Specific Strength (Strength Length) / [km]

Spe

cific

Stif

fnes

s (S

trai

n Le

ngth

) E/

[km

]

Vergleich der für das Strukturgewicht entscheidenden Werkstoffeigenschaften Festigkeit und Steifigkeit:


Endlosfaserverstärktes CFK im Automobil spart am meisten

Strukturgewicht

Was macht den Weg so weit?


Die Halbzeug-Kosten

Der Entwicklungs-Prozess

Die Herstellungs-Kosten

Die Reparatur

Das Recycling

Herausforderungen der CFK-Anwendung


Die Halbzeug-Kosten

1170 (29)2000 (50)80 (2)140 (3,5)401,7unidirektionaler CFK-Verbund (längs)

2210 (45)4200 (84)120 (2,5)230 (4,5)501,9HTC-Faser (längs)

45 (45)355 (355)26 (26)205 (205)17,9C-Stahl S355

100 (17)270 (45)26 (4,3)70 (12)62,7Al-Legierung AA6082-T6

50 (25)75 (38)2,3 (1,2)3,5 (1,8)21,5Epoxy

[MPa/g/cm³][MPa] (Rp0,2/$)[GPa/g/cm³][GPa] (E/$)[$][g/cm³]

Rp0,2/r (Rp0,2/$)

Dehngrenze Rp0,2

E/r (E/$*r)E-Modul EPreisindex aDichte r


Definition Develop Manufacture AssemblyConcept SeriesFeasibility

Orderreleasedfor Project

Top level a/crequirement

Definitionof basicconcept

Concept forproductselected

End development.phase for

basic aircraft

Entryinto

service

Typevalidation

First flightPower onBeginfinal

assembly

Firstmetal cut

Go aheadAuthorisation

tooffer (ATO)

Instructionto

proceed

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M14

Materials Pre-Fabrics Production Finishing Part

CFK-Prozessschritte in der Fertigung

Preparation Forming Infiltration Curing Release

CFK-Prozessschritte in der Bauteilherstellung

Der CFK Entwicklungs-Prozess am Beispiel Flugzeugbau

CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik

WerkstoffgerechteStrukturkonstruktionWerkstoffgerechte

Strukturkonstruktion

Definition Develop Production AssemblyConcept SeriesFeasibility

Fehlertolerante StrukturauslegungFehlertolerante

Strukturauslegung

Werkstoffe für robuste und effiziente FertigungsprozesseWerkstoffe für robuste und

effiziente Fertigungsprozesse

SchadenstoleranteWerkstoffe

SchadenstoleranteWerkstoffe

KonstuktionsgerechteWerkstoffe

KonstuktionsgerechteWerkstoffe

WartbareStrukturkonstruktion

WartbareStrukturkonstruktion

QualitätssicherbareStrukturauslegung

QualitätssicherbareStrukturauslegung

ToleranzoptimierteStrukturkonstruktionToleranzoptimierte


FertigungsgerechteStrukturkonstruktionFertigungsgerechte


ModifizierbareStrukturkonstruktion

ModifizierbareStrukturkonstruktion

Beispiele für Abhängigkeiten im Entwicklungs-Prozess


Unser Profil

Wir sind die Experten für Entwurf und Realisierung anpassungsfähiger, effizient gefertigter, toleranter Leichtbausysteme.Unsere Forschung dient der Verbesserung von

• Umweltverträglichkeit• Gewichtseffizienz• Kosteneffizienz• Funktionalität• Komfort

Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik


Unsere Fachkompetenzen imInstitut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik

Unsere Fachkompetenzen

10


Mit unseren Fachkompetenzen orientieren wir uns entlang der gesamten Prozesskette zur Herstellung anpassungsfähiger, effizient gefertigter, toleranter Leichtbaustrukturen.

Für exzellente Ergebnisse in der Grundlagenforschung und industriellen Anwendung.

Faserverbund-technologie

Adaptronik Verbundprozess-technologie

Funktions-leichtbau

Struktur-mechanik

Multifunktions-werkstoffe

Unsere Fachkompetenzen – Bausteine in derProzesskette des Hochleistungsleichtbaus



Mit unseren Fachkompetenzen orientieren wir uns entlang der gesamten Prozesskette zur Herstellung anpassungsfähiger, effizient gefertigter, toleranter Leichtbaustrukturen.

Für exzellente Ergebnisse in der Grundlagenforschung und industriellen Anwendung.

Faserverbund-technologieFaserverbund-technologie

AdaptronikAdaptronik Verbundprozess-technologie

Verbundprozess-technologie

Funktions-leichtbauFunktions-leichtbau

Struktur-mechanikStruktur-mechanik



Unsere Fachkompetenzen – Bausteine in derProzesskette des Hochleistungsleichtbaus


Das Ziel: Anpassungsfähige,effizient gefertigte, tolerante Leichtbaustrukturen


DLR-ZLP im CFK-NORD

CFK-NORD

GroßeBauteile

Volumen-bauteile

Unsere Prozesskette für die Forschung im industriellen MaßstabDLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP)


Stuttgart

Oberpfaffenhofen

HamburgBremen-

Augsburg München

Stade

ZLP Standort StadeProf. Wiedemann, Dr. Meyer

Pfinztal Karlsruhe

Braunschweig

ZLP

ZLP Standort AugsburgProf. Voggenreiter, Dr. Dudenhausen

Leiter des ZLPDr. Meyer



ZLP

ZLP

Standort Augsburg

Schwerpunkt CFK-Technologie Textil- und Infusionstechnologie Robotik, Sensorik, Mechatronik Duromer- und Thermoplastverarbeitung Produktionsintegrierte Qualitätssicherung Montage- und Verbindungstechnologien



Schwerpunkt CFK-Technologie AFP robotisch basiert Volumenbauteile Online-QS für Autoklavprozesse Duromerverarbeitung – Prepreg Formwerkzeugtechnologie Prozesssimulation

Schwerpunkt CFK-Technologie AFP robotisch basiert Volumenbauteile Online-QS für Autoklavprozesse Duromerverarbeitung – Prepreg Formwerkzeugtechnologie Prozesssimulation

ZLP

ZLP

Standort Stade

ZLP Forschungsschwerpunkte im CFK-NORD

Unsere Prozesskette für die Forschung im industriellen MaßstabDLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORD


DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Endkonturnahe Volumenbauteile - Zielbauteile

Komplexe, 3D-gekrümmte Geometrien (Luftfahrt und Automotive) Stückzahlen bis 100.000 Stück/Jahr Äußerst kosteneffizient Sehr hohe Prozesssicherheit


Schw

erpu

nkt E

Vo

• Class-A Oberfläche

• designgetriebene Geometrie

• Gleichmäßige, hohe Energiedissipation bei Frontal- und Seitencrash

• Gestaltfestigkeit bei Frontal- und Seitencrash

hohe Biege- und Torsions-steifigkeit

Außenhautbauteile

Energiedissipierende Strukturbauteile

Gestaltfeste StrukturbauteileQuelle: Dallara

Quelle: AudiQuelle: BMW

Quelle: Lotus

DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Endkonturnahe Volumenbauteile - Zielbauteile


Flächiges Bauteil Lokale Aufdickungen Metallinlays Schaumkerne

DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Zielbauteil Fahrzeugbodengruppe


automatisierte Produktionslinie für den Testbetrieb

RTM Technologie kombinierte Preform Technologien Endkontur-Bauteilherstellung Online-Qualitätssicherung

DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Endkonturnahe Volumenbauteile - Anlage


Gesamtanlagenkonzept / Systemprozesssteuerung / Digitales LDS

Preforming Injektion

PROZESSRICHTUNG

Faserhalbzeug

Materiallager

Geometrie

Sekundäre Preforms Einbinden fertiger Sub-Preforms

Primäres PreformingPreformen innerhalb

der Prozesskette

Feinbesäumen

EinlegenHarzmatrix

RTM- Prozess

Aushärten

Entformung

Reinigung

Endkonturnahes B

auteilDLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Endkonturnahe Volumenbauteile – Prozesskette


DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Harzsysteme

Forschungs- und Entwicklungsthemen

Charakterisierung unterschiedlicherschneller Harzsysteme

Entwicklung von Verarbeitungsstrategien von sehr schnellen Harzsystemen im Labormaßstab (Mischen/Entgasen/Härten)

Einfluss der Beschleunigerkonzentration von LY556/HY917/DY070 auf die Härtungund die Materialeigenschaften

0

20

40

60

80

100

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Zeit / s

Um

satz

/ % LYHYDY2,0

LYHYDY1,5LYHYDY1,0LYHYDY0,5

3150

3200

3250

3300

3350

3400

3450

3500

0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Beschleunigerkonzentration / Gew.-%

Bie

gem

odul

/ M

Pa



Validierung Drapiersimulationen Auswahl geeigneter Faserhalbzeuge

abhängig vom Drapiergrad Entwicklung von automatisierten

Teilanlagen / Anlagenkomponenten

Ergebnis:Drapier-Simulation

Anlagen zur kontinuierlichen Preform-Erstellung

DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Preformprozesse 1/2



Auswahl / Abstimmung Bindertechnologie auf Preform,- Injektionsprozess inkl. Untersuchung Harzkompatibilität

Effizientes Wärmemangement im Preform-prozess (Induktion, Mikrowelle, Flüssigkeit)

Preformendbeschnitttechnologien(u.a. Laser-basiert)

Beispiel: Laserschnitt4 Lagen 300g/m² @ 10000mm/minCO2 Laser 250W Quelle: LZH

CTC / DLRMikrowellen-Preformanlage

Wärmeeinbringungmittels Induktion in Anlage zurkontinuierlichen Preformerstellung

DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Preformprozesse 2/2



Mechanischer Feinschnitt mit Ultraschall Laserbeschnitt

DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Feinbesäumung


DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Preforming - Planungsstand



Analyse von Einflussparametern abhängig von verwendeten Verfahrensvarianten, Randbedingungen aus

Vorprozessen und Halbzeugen

Entwicklung von Tränkungstrategien fürprozessichere Schnelltränkung (mittels Fließsimuation)

Handling- undEinlege-Toleranzen

300 s

0 s

Füllz

eit

=>

Injektionsdruck:2 bar

Ergebnisse:Tränkungs-Simulation

Folgen fehlerhafterTränkung

DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Injektionsprozesse 1/2



Thermalmanagementkonzepte(Induktion, Mikrowelle, Flüssigkeit)

Entwicklung von Ansätzen zur Konzeption, Auslegung und Konstruktion von Formwerkzeug

Ermittlung von optimalen Prozess-parametern (Temperatur, Druck, Zeit: abhängig von Harzsystem und Tränkungsstrategie

Thermal-Management mittels Flüssigkeitskreislauf

DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Injektionsprozesse 2/2


DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Injektion und Tempern - Planungsstand

Temperofen Doppelkammerofen Jeweils 2 Bauteile mit Kernwerkzeug

bei vollem Bauteilraster pro Ofenkammer

Modularer Aufbau, zweiteilige Beauftragung


Ultraschallsensorik zur Tränkungskontrolle

DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Qualitätssicherungsverfahren


Sensorik in Preform- und Injektionsprozess Fehlereinflussanalyse Umfassende Technologiebewertung Berücksichtigung von

ISO 9001 und 9100



Schnittstellendefinition und Harmonisierung Integration aller Teilanlagensteuerungen in

einem Leitstand Sammeln relevanter Prozessdaten

Maschinenparameter Sammeln Messtechnischer Daten

Sensorik, inline-QS Auswertung und Bewertung von Daten

Digitales Life-Data-Sheet Wissenschaftliche Betrachtung des

Zusammenhangs von Qualität, Produktivität und Wirtschaftlichkeit Prozessfenster

Quelle: RWTH

DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Gesamtanlagensteuerung


DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Endkonturnahe Volumenbauteile

Unsere Ziele

>100.000 Bauteile/Jahr

90-100% Automatisierung

Minimaler Ressourcenverbrauch

Selbstlernfähigkeit

Funktionsintegration


DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDForschen im Industriemaßstab – Weitere Projekte

VirtuellerAutoklav

MasterboxAuswertung

RealerAutoklav

Projekt GroFiGroßbauteile in Fiber-Placementtechnologie

Kooperierende Roboter mit Kombinierter AFT und ATL Technologie zum Legen von Großbauteilen

Projekt OnQAOnline Qualitätssicherung im Autoklav

Forschungsautoklav mit 5,80m Innendurchmesser und 20m Länge, Sensorgestützte Echtzeitsimulation


… sind die Pioniere des anpassungsfähigen Hochleistungsleichtbaus

… erweitern in gemeinsamer Spitzenforschung das Wissen

… bauen die Brücke von den Grundlagen in die Anwendungen

… sind zuverlässige und seriöse Partner … arbeiten professionell

Für weitere Informationen besuchen Sie unsere Internetseite www.dlr.de/fa

Unser Leitbild

Gerne kommen wir für ein persönliches Gespräch zu Ihnen oder begrüßen Sie in unserem Institut.

Sprechen Sie uns an.

Wir...

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