30 Prozent leichter als Aluminium

Composite-Getriebegehäuse mit Organoblech

Gewichtsverringerung ist eines der Überziele im Fahrzeugbau. Das gilt auch und vor allem für die Elektrofahrzeuge. Neben der Karosserie werden Komponenten aus dem Antrieb, wie das Gehäuse von typischerweise verwendeten zweistufigen Getrieben, für eine weiterreichende Werkstoffsubstitution interessant. Am Gehäuse dieser Komponente, bislang gefertigt aus Aluminium, wurde mit Umstellung auf eine Kunststoffkonstruktion 30 Prozent leichter. Basis dafür ist eine Kombination aus Spritzguss unter Einsatz eines Organoblechs.

Der Prototyp der ersten Gehäusehälfte – zur Veranschaulichung diente eine transparente, ebenfalls konzernintern entwickelte, zweite Hälfte. (Bild: ARRK Engineering)

Kohlenstofffaserverstärkte Thermoplaste sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften in Kombination mit den etablierten Möglichkeiten der Fertigung eine gute Wahl. Eine Herausforderung in diesem Fall ist allerdings die Einhaltung der geforderten Steifigkeiten bei Betriebstemperaturen von über 100 Grad Celsius. ARRK Engineering hat sich gemeinsam weiteren Unternehmen der Gruppe dieser Aufgabe gewidmet: 2016 wurde im Rahmen eines selbst finanzierten Entwicklungsprojekts das nach Unternehmensangaben weltweit erste voll funktionsfähige thermoplastische Composite-Getriebegehäuse für E-Fahrzeuge entwickelt und die erste Hälfte bereits prototypisch umgesetzt.

Das Composite-Getriebegehäuse mit thermoplastischer Matrix ist rund 30 Prozent leichter und deutlich leiser als die konventionelle Aluminium-Variante ‒ das ergaben Studien im Vorfeld der Entwicklung. Dieses Optimierungspotential wurde bisher nur in verschiedenen Technologiedemonstratoren aufgezeigt. Der im interdisziplinären Team um ARRK Engineering gefertigte Prototyp sei somit das erste reale Bauteil dieser Art, das so in einem Fahrzeug verbaut werden könnte. „Uns hat die Verbindung von Komplexität und Machbarkeit des Vorhabens gereizt“, erläutert Monika Kreutzmann, Leiterin des Center of Competence (CoC) Composites. Der Anspruch der Beteiligten war, dass bei entsprechenden Stückzahlen auch die Wirtschaftlichkeit in das Umfeld der üblicherweise verwendeten Materialien rückt. Die niedrigen Investitionskosten und die Verwendung bekannter Technologien macht langfaserverstärkte Bauteile mit thermoplastischer Matrix wirtschaftlich sehr interessant.

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Über das Re-Engineering eines bestehenden Aluminium-Gehäuses wurde ein Pflichtenheft für das zu entwickelnde Composite-Gehäuse erstellt. (Bild: ARRK Engineering)

Re-Engineering ergibt Zielwerte für Composite-Gehäuse
Die Projektzeit wurde in drei Phasen geteilt. In der ersten wurde das grobe Konzept erstellt, in der zweiten der konkrete Entwurf erarbeitet und in der dritten die Details ausgeführt. Um das Pflichtenheft erstellen zu können, wurden zunächst über das Re-Engineering eines bestehenden Aluminium-Getriebegehäuses ermittelt, die mindestens erreicht werden sollten. Da besonders die Steifigkeiten erheblichen Einfluss auf Lebensdauer und Akustik des Getriebes haben, lag hier der Fokus der Überlegungen bezüglich der Geometrie. Die Entwicklung wurde mit intensiver Nutzung von Simualtionsmethoden vorangetrieben. Alle Lösungswege wurden auf diese Weise geprüft und Lösungskonzepte virtuell auf ihre Funktionalität und ihr Potential hin untersucht.

„Aufgrund der kurzen Zykluszeiten und damit verbundenen hohen Stückzahlen entschieden wir uns für einen thermoplastischen Werkstoff, der mit kurzfaserverstärktem Kunststoff umspritzt werden sollte“, beschreibt Monika Kreutzmann den grundsätzlichen Ansatz. Die unterschiedlichen Szenarien sowie ihre Machbarkeit wurden jeweils in Press- beziehungsweise Spritzgießsimulationen bewertet und optimiert. In die Entwicklung flossen außerdem Erfahrungen im Umgang mit Thermoplasten beziehungsweise deren Kombination mit anderen Materialien ein. Auch die Kenntnis der relevanten Versagensmodelle sowie das Know-how zum Einsatz von Spritzgießverfahren seien hilfreich gewesen. Anders sah es hingegen beim Umformen des Organoblechs aus. Hier war kaum Vorwissen zu den Zykluszeiten oder den Temperaturen vorhanden. Schwierigkeiten für die Umsetzung ergaben sich zudem aus der eingeschränkten Verfügbarkeit des gewünschten Gewebes sowie des Matrixwerkstoffs. Hier musste zunächst ein Hersteller gefunden werden, der in der Verwendung von Karbonfaserverbundstoffen ebenfalls die Zukunft der Automobilindustrie sieht ‒ was jedoch schließlich gelang.

Um die geforderten Steifigkeiten zu erreichen, wurde das Modell mit gekreuzten UD-Tapes verstärkt. Daneben tragen auch Spritzgusselemente im Rippen-Flansch-Bereich zur Optimierung bei. (Bild: ARRK Engineering)

UD-Tapes sorgen für lokale Verstärkung
Für das Design des Bauraums wurden zunächst über eine Topologieoptimierung ‒ unter Berücksichtigung von Zug- und Druckbereichen ‒ die Kraftverläufe im Gehäuse ermittelt. Der daraus abgeleitete Entwurf diente als erster Anhaltspunkt dafür, wo das Material platziert und wie die Lagen des Organoblechs optimiert werden müssen, um die erforderliche Steifigkeit zu erreichen. Weiterhin wurden in umfangreichen Simulationen die möglicherweise unter Last auftretenden Verformungen untersucht. Dabei erwies sich die Torsion des Gehäuses als dimensionierende Größe, der mit 45 Grad-Lagen begegnet wurde. Zudem galt es lokale Schwachstellen zu identifizieren, um diese gezielt zu minimieren beziehungsweise die auftretenden Dehnungen zu reduzieren. Neben der FEM-Optimierung wurde daher manuell nach Möglichkeiten einer punktuellen Verstärkung gesucht, die mit möglichst wenig zusätzlichem Gewicht einhergeht.. Gekreuzte unidirektionale (UD)-Tapes zeigten einen besonders positiven Einfluss. Die Dicke der Organobleche konnte daraufhin von 5 auf 4 Millimeter reduziert werden, was nicht nur Gewicht spart, sondern auch den Umformprozess des Organoblechs in der Presse begünstigt.

Der detaillierte Entwurf sah weiterhin die Verwendung von Aluminium-Inserts vor, um die in die Lager eingeleiteten Lasten auf das Organoblech übertragen. Mit diesen Inserts wurde die Wellenverkippung deutlich reduziert. Da die Lagersitze nur 30 Mikrometer Lagetoleranz aufweisen und so wenig Nacharbeiten wie möglich anfallen sollten, wurden die entsprechenden Prozessparameter und ihre Auswirkungen, etwa auf den Verzug, im Versuch ermittelt. Neben den UD-Tapes tragen auch Spritzgussrippen auf dem Organoblech zum Erreichen der Steifigkeitsziele bei. Positive Nebeneffekte der Spritzgießtechnologie: Es kann auf Endkontur gefertigt werden und es fallen keine nachträglichen Bohrungen an. Auch die Nacharbeit wird dadurch erleichtert. Zudem verhindert der kurzglasfaserverstärkte Spritzguss den Kontakt zwischen der Karbonfaser und den metallischen Inserts. Diese galvanische Trennung beugt Korrosionserscheinungen vor, so dass keine zusätzliche Beschichtung erforderlich ist.

Aufgrund der kurzen Zykluszeiten entschied sich das Entwicklerteam für einen langfaserverstärkten Werkstoff mit thermoplastischer Matrix, der mit kurzfaserverstärktem Kunststoff umspritzt werden sollte. Die unterschiedlichen Lösungsansätze sowie ihre Machbarkeit wurden wiederum in entsprechenden Simulationen bewertet und optimiert. (Bild: ARRK Engineering)

Vom Preform zum fertigen Bauteil
Die Herstellbarkeit wurde durch enge Einbindung von Shapers, dem Werkzeugbau-Unternehmen in der ARRK-Gruppe, sowie durch die Simulation des Pressvorgangs mit der Software des Kooperationspartners ESI, sichergestellt. Da die Prototypen der ersten Gehäusehälfte in einem zweistufigen Prozess realisiert wurden, war die Neuentwicklung jeweils eines Werkzeugs für den Pressprozess und für das anschließende Umspritzen erforderlich: In der ersten Phase werden das Organoblech und die verstärkenden UD-Tapes erwärmt und in einem Pressverfahren so umgeformt, dass sich die Matrixwerkstoffe verbinden und das gewünschte Preform entsteht. Das anschließende Zuschneiden der Preform geschieht per Wasserstrahlschneiden. In der zweiten Phase wird das Preform erneut erwärmt und im Spritzgießwerkzeug umspritzt, um die finale Geometrie einschließlich der Rippen sowie weiterer Funktionsflächen zu erzeugen. „Als schwierig erwiesen sich, wie zu erwarten, die hohen Temperaturen und die mechanische Belastung vor und beim Pressvorgang des Organoblechs. In Versuchen wurde schließlich ein gangbarer Weg gefunden“, gibt Monika Kreutzmann Einblick in die Arbeit des Technology and Innovation Teams.

Die akustischen Vorteile sowie die Reduktion des Gewichts stellten sich wie erhofft ein: Das Getriebegehäuse wurde durch die Verwendung von faserverstärktem Thermoplast um 30 Prozent leichter. Zur Funktionskontrolle wurde der Prototyp umfassenden Hardware-Versuchen unterzogen werden. Parallel dazu wurde die zweite Gehäusehälfte gebaut. Zur besseren Veranschaulichung entstand bereits ein transparenter Kunststoffprototyp aus PMMA. „Das rege Interesse aus weiten Teilen der Branchen zeigt die Brisanz der Entwicklung. Wir gehen davon aus, dass die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens mit zunehmender Nutzung des Automatisierungspotentials steigt. Wenn etwa die beiden Prozessstufen zusammengefasst werden, sinken auch die Herstellungskosten entsprechend“, prognostiziert Monika Kreutzmann.

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