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Endlos robust - 40 Prozent leichter als Stahlausführung

Studenten im internationalen WettbewerbHelikopter-Designstudie setzt auf Leichtbau

Ephemeron in der Computeranimation

Studenten des PFH Hansecampus Stade haben in einem Wettbewerb der American Helicopter Society den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden in der Luft bleiben kann.

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Endlos robust40 Prozent leichter als Stahlausführung

Endlosfaserverstärkte, thermoplastische Verbundhalbzeuge sind eine Alternative zu metallen und anderen faserverstärkten Kunststoffen. Sie kommen auch in sicherheitsrelevanten Bauteilen im Auto zum Einsatz.

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Durchlade

Ein Beispiel ist das Rücksitzsystem eines Geländewagens, der von einem europäischen Automobilhersteller produziert wird. Der Mittelplatz ist mit einer Durchlade ausgestattet, um für jeden Sitzplatz die Lehne einzeln umklappen zu können. Die Durchlade wird durch Umformen und Hinterspritzen von Tepex Dynalite gefertigt. Gegenüber einer Stahlvariante ergibt sich laut Werkstofflieferant eine Gewichtsreduktion von mehr als 40 Prozent. Gleichzeitig erfülle das sicherheitsrelevante Bauteil alle Lastfälle, weil die Orientierung der Endlosfaserlagen im nur zwei Millimeter dicken Halbzeug gezielt auf die mechanische Belastung ausgerichtet sei. Entwickelt wurde das Leichtbauteils bei der Brose Fahrzeugteile mit Unterstützung des Geschäftsbereichs High Performance Materials von Lanxess. Brose produziert das Bauteil im Werk Coburg.

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Stabil bei Front- und Heck-Crash
Die Durchlade ist systembedingt nur an einer Seite – oben an der Rücksitzlehne – befestigt. Damit wird sie bei Belastung auf Biegung und Torsion beansprucht. Um diesen Lastfällen gerecht zu werden, wurde ein multiaxialer Aufbau der Endlosglasfaserlagen im thermoplastischen Verbundhalbzeug gewählt. Multiaxiales Tepex ist eine neue Entwicklung von Bond-Laminates, die Organobleche deutlich leistungsfähiger machen sollt. Das was bisher nur durch die verfahrenstechnisch aufwändige Kombination von gewebebasiertem Tepex mit Tapes möglich. Im Kern des Halbzeugs für die Durchlade befinden sich vier je 0,25 Millimeter dicke Lagen mit einer Faserausrichtung von +45 und -45 Grad zur Bauteillängsachse, die mittensymmetrisch angeordnet sind. Sie nehmen die Torsionslast auf. Dagegen werden die Biegelasten von den beiden äußeren, je 0,5 Millimeter dicken Lagen aufgenommen, bei denen 80 Prozent der Endlosfasern in Belastungsrichtung liegen. Dieser multiaxiale Lagenaufbau sorge dafür, dass das Leichtbauteil bei einem Frontalcrash den Aufprall der beschleunigten Ladung aus dem Kofferraum und bei einem Heck-Crash die Massenkräfte der in den Sitz gepressten Person schadlos übersteht.

Bauteil im Auto

Wirtschaftlicher One-Shot-Prozess
Zur Herstellung der Durchlade wird ein Zuschnitt des Halbzeugs aufgeheizt, in das Spritzgießwerkzeug eingelegt, umgeformt und dabei mit einem glasfaserverstärkten Thermoplasten hinterspritzt. Neben Rippen für eine hohe Bauteilsteifigkeit sind im Spritzgießschritt zahlreiche Funktionselemente direkt anformbar –etwa die Aufnahme für die Nackenstütze, diverse Befestigungs- und Anschraubpunkte und die umlaufende Kedernut, an der die rückseitige Textilabdeckung der Durchlade befestigt ist. In klassischer Stahlbauweise hätten diese Funktionsbauteile separat angeschweißt oder -geschraubt werden müssen.

Das Werkzeug für die Durchlade wurde mit Hilfe einer von Lanxess entwickelten Drapiersimulation im Rahmen von Hiant optimiert. Unter diesem Namen sind die Serviceleistungen zur Unterstützung der Bauteilentwicklung bei Kunden gebündelt. Mit der Drapiersimulation wurden verschiedene Umformstrategien dargestellt und bewertet. Die Ergebnisse wurden bei der Werkzeugumsetzung berücksichtigt und haben laut Unternehmen dazu beigetragen, die Entwicklungszeit erheblich zu verkürzen. Auf Basis der spezifischen Werkzeugtechnik wurde der Halbzeug-Zuschnitt abgeleitet. Dieser wird im Werkzeug vorgeformt bzw. lokal fixiert, bevor das Werkzeug endgültig schließt. So gelinge es unter anderem, das Entstehen von Falten und ein lokales Überdehnen der Endlosfasern beim Verformen des Halbzeugs zu verhindern.

Fakuma 2017, Halle B4, Stand 4209

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