Entwicklung einer Leichtbau-Rahmenstruktur aus faserverstärkten Kunststoffen und innovativen, hybriden Verbindungsbereichen für den Einsatz in Agrarmaschinen

Abstract

Im Forschungsprojekt AGRILIGHT wurde die Machbarkeit einer tragenden Faserverbund-Rahmenstruktur für selbstfahrende Feldhäcksler untersucht. Ziel war die Substitution der konventionellen Stahlkonstruktion durch eine funktionsintegrierte Hybridstruktur aus kohlenstoff- und glasfaserverstärkten Kunststoffen (CFK/GFK), um das Fahrzeuggewicht und die daraus resultierenden CO₂-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus zu reduzieren. Neben der Gewichtsoptimierung standen die Entwicklung großserientauglicher hybrider Krafteinleitungselemente, die Integration zusätzlicher Fahrzeugfunktionen sowie die Validierung geeigneter Fertigungs- und Auslegungsmethoden im Fokus. Das Vorhaben knüpfte an Forschungsergebnisse zu intrinsischen Hybridverbunden und mehrlagigen metallischen Krafteinleitungselementen (Multilayer Inserts) an und überführte diese erstmals auf die großformatige Rahmenstruktur einer selbstfahrenden Erntemaschine. Hierzu wurden ein neuartiges Chassiskonzept entwickelt, geeignete Werkstoffsysteme charakterisiert, numerische Auslegungsmethoden aufgebaut sowie Fertigungs- und Prüfkonzepte für großvolumige Faserverbundstrukturen entwickelt. Die Leistungsfähigkeit der entwickelten Struktur wurde durch einen Full-Scale-Prototyp unter realitätsnahen Belastungsbedingungen experimentell nachgewiesen. Der entwickelte Demonstrator einschließlich integrierter Kraftstofftanks erreicht ein Gesamtgewicht von 796 kg und reduziert das Rahmengewicht gegenüber der konventionellen Stahlbauweise um 437 kg. Auf Basis der erzielten Gewichtsreduzierung wird eine Kraftstoffeinsparung von rund 9.500 l Diesel beziehungsweise eine CO₂-Reduktion von etwa 21 t über die Lebensdauer des Fahrzeugs prognostiziert. Wesentliche wissenschaftlich-technische Ergebnisse des Vorhabens sind die Entwicklung prozessintegrierter hybrider Lasteinleitungselemente, die Ableitung analytischer und numerischer Auslegungsmethoden für deren Dimensionierung sowie die Entwicklung einer reproduzierbaren Fertigungsstrategie für großformatige Faserverbund-Chassis. Die Ergebnisse zeigen, dass tragende Faserverbundstrukturen mit hybriden metallischen Anbindungskonzepten ein hohes Potenzial für die Gewichts- und CO₂-Reduktion im Agrarmaschinen- und Nutzfahrzeugbau besitzen und eine wesentliche Grundlage für die industrielle Weiterentwicklung entsprechender Leichtbaukonzepte bilden.