Leichtbau

Fahrzeugstrukturen mittels Patchen verstärken

| Autor / Redakteur: Hartmut Hammer / Thomas Günnel

Fabian Fischer von der Volkswagen-Konzernforschung, referierte auf dem Leichtbau-Gipfel zum lokalen Applizieren von Faserverbundstrukturen.
Fabian Fischer von der Volkswagen-Konzernforschung, referierte auf dem Leichtbau-Gipfel zum lokalen Applizieren von Faserverbundstrukturen. (Bild: Stefan Bausewein)

Fahrzeuge haben besonders sensitive Crashzonen – in denen herkömmliche metallische Bauweisen oft an Festigkeitsgrenzen stoßen. Was Volkswagen dagegen tun will, erläuterte Fabian Fischer von der Volkswagen-Konzernforschung beim Leichtbau-Gipfel in Würzburg.

Besonders sensitive Crashbereiche von Fahrzeugen lassen sich nicht immer mit herkömmlichen, metallischen Bauweisen konstruieren. Abhilfe kann die lokale Applikation von Faserverbundstrukturen (Patchen) schaffen, erläuterte Fabian Fischer aus der Konzernforschung der Volkswagen AG auf dem Automobil Industrie Leichtbau-Gipfel.

Die Vorteile von metallischen Bauteilen mit lokalen Faserverbund-Verstärkungen beschränken sich dabei nicht nur auf die lokal besseren mechanischen Eigenschaften, größere Festigkeit, Steifigkeit und Energieaufnahme. Ebenso wichtig sind laut Fischer drei weitere Punkte:

  • Für das Patchen können die konventionellen Füge- und Lackiertechnologien in der Großserie weiter verwendet werden.
  • Die Faserverbund-Verstärkungen bringen nur ein geringes Mehrgewicht ein und können durch eine bessere Auslegung des neuen Metall-Faser-Hybridbauteils sogar eine Gewichtsreduktion bewirken.
  • Mit den Faserverbund-Verstärkungen sind die Karosserien sehr einfach und kostengünstig ohne Werkzeuganpassungen zu ertüchtigen, zum Beispiel für Märkte mit verschärften Crashanforderungen oder für neue Antriebskonzepte wie batterieelektrische Antriebe, bei denen die Batterien im Unterboden durch extra steife Schweller vor seitlichen Intrusionen geschützt werden müssen.

Schnelles Aushärten, geringer Druck

Die Großserientauglichkeit des Patchens beruht auf den kurzen Montagezeiten der Faserverbundteile. So konnte Volkswagen die Aushärtezeiten der aufgewärmten und auf die Metallstruktur aufgeklebten Patches inzwischen auf weniger als 30 Sekunden reduzieren, was in der Regel für die Integration der Technologie in die üblichen Großserien-Taktzeiten ausreicht. Außerdem sind für diese Montageprozesse nur relativ geringe Anpressdrücke erforderlich, was den Einsatz von flexiblen Montagerobotern ermöglicht. Konkret hat Volkswagen beispielsweise bei der Golf-Karosserie den Schweller im Bereich der B-Säule verstärkt. Damit reagierte der Automobilhersteller auf eine Änderung des Euro-NCAP-Pfahlaufpralltests, der im Jahr 2015 bei Geschwindigkeit und Winkels des Aufpralls modifiziert wurde.

Diese Änderung hat beim E-Golf in Kombination mit dessen höherem Gewicht zu einer deutlich erhöhten lokalen Crashenergie geführt, die eine wesentlich tiefere Intrusion im Bereich des Batteriekastens bedeutet hätte. Mit einer nur 170 Gramm schweren, aufgeklebten, Glasfaserverstärkung konnte Volkswagen in Fallturmversuchen die Intrusion in Richtung Batteriewanne mehr als halbieren (- 55 %). Alle Alternativen – Carbonfaserverstärkung, Tailored Rolled Blank, globale Bauteil-Wandverstärkung – mit ähnlich hohem Mehrgewicht hätten die Intrusion in wesentlich geringerem Maße verringert.

Geringere Blechdicken

Am Panorama-Schiebedach des Golfs hat Volkswagen die Patches zur Erhöhung der Steifigkeit genutzt. Hier haben die Entwickler in einem ersten Schritt bei dem aus Tailored Welded Blanks gefertigten Schiebedachrahmen die Blechdicken global reduziert. Dann wurden an sieben neuralgischen Stellen mit Kohlenstofffasern verstärkte Kunststoffe aufgeklebt. Dieses intelligente Metall-CFK-Hybridbauteil ist bei gleicher Steifigkeit wie der Serienrahmen rund ein Viertel, 2,17 Kilogramm, leichter.

Diese beiden Beispiele haben Volkswagen laut Fischer aufgezeigt, dass lokale Einsätze von Faserverbundmaterialien die Eigenschaften von Karosseriebauteilen massiv verbessern können. Besonders wies Fischer auf die sehr gut in Großserien darstellbaren und kostengünstigen Montageprozesse hin, sowie auf die leichte Verfügbarkeit der Faserverbundwerkstoffe. Perspektivisch will der Volkswagen-Konzern solche Faserverbundverstärkungen bei allen Marken einsetzen.

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