AFP-Shaft: Emissionsoptimierte Leichtbauweise für FKV-Antriebswellen mit ganzheitlicher Überwachung des Produktlebenszyklus

Abstract

Derzeitiger Stand von Wissenschaft und Technik: Metallische Werkstoffe wie Stahl dominieren nach wie vor den Bereich der automobilen Antriebswellen, weisen jedoch erhebliche Gewichtsnachteile auf. Zur Ausschöpfung von Leichtbaupotenzialen werden zunehmend faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt, insbesondere duroplastische CFK-Wellen, die bereits in Hochleistungsfahrzeugen serienmäßig verwendet werden. Nasswickelverfahren zur Herstellung solcher Wellen sind allerdings mit langen Aushärtezeiten, begrenzter Automatisierbarkeit und eingeschränkter Recyclingfähigkeit verbunden.

Begründung/Zielsetzung der Untersuchung: Ziel des Vorhabens ist es, das Potenzial thermoplastischer Verbundwerkstoffe durch kurze Zykluszeiten und hohe Recyclingfähigkeit für den automobilen Leichtbau nutzbar zu machen. Der AFP-Prozess soll hierfür auf den Automobilbereich übertragen und für eine präzise, hochautomatisierte Fertigung eingesetzt werden. Digitale Prozessüberwachung und digitale Zwillinge dienen der transparenten Abbildung und Qualitätssicherung der Fertigung und sollen zugleich zur Optimierung der duroplastischen Wellenherstellung beitragen.

Methode: Die Untersuchung folgt einem mehrstufigen Vorgehen, das sowohl material- als auch prozessseitige Aspekte berücksichtigt:

Analyse relevanter Werkstoff-, Konstruktions- und Einsatzanforderungen sowie Erstellung eines Anforderungskatalogs Auswahl und Charakterisierung geeigneter Faser-Matrix-Kombinationen und Erstellung umfänglicher Materialkarten FEM-basierte Auslegung der thermoplastischen Antriebswelle Software- und simulationsgestützte CAD/CAM-Abbildung und Optimierung der Fertigungsprozesse Konzeption und Integration von Sensorkonzepten zur digitalen Nachverfolgung der Fertigungsprozesse und Zustandsüberwachung Auslegung des AFP-Prozesses und Fertigung von Technologiedemonstratoren und Prüfkörpern Durchführung von Bauteilprüfungen ökologische/ökonomische Bewertung

Ergebnis:

Einsatzfähige Prozesskette zur normgerechten Prüfung faserverstärkter Thermoplaste, einschließlich der Herstellung von Probenplatten, des plasmaunterstützten Verklebens von Aufleimern sowie der Durchführung relevanter Prüfnormen. Erfolgreicher Machbarkeitsnachweis für ein thermografiebasiertes Messsystem zur digitalen Erfassung und Qualitätskontrolle von Wickelmustern im Wickelprozess Materialkarten für die anisotropen carbonfaserverstärkten Thermoplaste CF-PEEK und CF-PPS für verschiedene Temperaturen (-40, 23, 80, 150 °C). Einsatzfähiges FEM-Modell zur Auslegung der Antriebswelle einschließlich Presspassung; für CF-PPS wurden bei 150 °C Einschränkungen festgestellt, weshalb die Materialwahl für den Demonstrator auf CF-PEEK fiel. Zudem konnte gezeigt werden, dass eine Presspassung mit einem fertigungstechnisch aufwendigeren Metall-Stützring eine günstigere Spannungsverteilung ermöglicht, einen höheren Fugendruck erlaubt und die Sicherheit gegen Mikrogleiten erhöht. Anwendungsreife Software zur digitalen Abbildung und Simulation der Fertigungsprozesse sowie zur Optimierung der Wickelbahnen. Durch die Abbildung von Stiftkränzen in der Wickelbahnberechnung kann der Verschnitt im Nasswickelprozess der duroplastischen Referenzwelle reduziert werden. Die Definition von Wickelkernen aus frei gestaltbaren und kombinierbaren Flächensegmenten ermöglichen die Berechnung komplexer Wickelbahnen und erweitern zugleich die Anwendbarkeit der Software auf unterschiedlichste rotationssymmetrische Produktgeometrien. Einsatzreifer und optimierter AFP-Prozess zur Fertigung thermoplastischer Antriebswellen aus CF-PEEK Erfolgreicher Machbarkeitsnachweis des modularen Systems „SINTRA Technologie“ zur Rückverfolgbarkeit und Qualitätssicherung in Produktionsprozessen Die Zustandsüberwachung der Antriebswelle im Betrieb wurde aus wirtschaftlichen Gründen abgewählt. Für ein alternatives und kostengünstigeres Sensorsystems „SILVA light“ konnte keine erfolgreiche Machbarkeitsstudie nachgewiesen werden. Eine abschließende Bewertung der thermoplastischen Antriebswelle war infolge zeitlicher Verzögerungen nicht in vollem Umfang durchführbar. Die bisherigen Ergebnisse zeigen jedoch ein Potenzial zur Energieeinsparung – insbesondere bei einer prozessseitigen Optimierung des AFP-Prozesses hin zur Serienfertigung – von konservativ rund 30 % im Vergleich zum Nasswickelprozess.

Schlussfolgerung/Anwendungsmöglichkeiten:

Software & Digitalisierung: Einsatz der im Projekt entwickelten CAESA®-Softwaremodule zur digitalen Unterstützung und Optimierung von Wickelprozessen. Vermarktung durch Lizenzvergabe, technische Dienstleistungen, Schulungen und internationale Partnernetzwerke. Übertragbarkeit der Ergebnisse: Anwendung der entwickelten Methoden und digitalen Prozessmodelle auch auf andere rotationssymmetrische Faserverbundbauteile, z. B. Drucktanks für Wasserstoff oder CFK-Wellen in anderen Antriebssträngen. Materialprüfung & Datenbereitstellung: Nutzung der am Fraunhofer IAP etablierten, normgerechten Prozesskette zur Prüfung faserverstärkter Thermoplaste in künftigen F&E-Vorhaben; Bereitstellung der ermittelten Materialkennwerte in öffentlich zugänglichen Datenbanken. Qualitätssicherung: Weiterentwicklung und industrielle Implementierung des thermografiebasierten Messsystems zur digitalen Erfassung und Bewertung von Wickelmustern – mit potenzieller Übertragung auf den AFP-Prozess zur inline-Prozessüberwachung und Ergänzung des digitalen Fertigungszwillings.