cfk im automobil - ein weiter weg - elib.dlr.de · autoklav projekt grofi großbauteile in...
TRANSCRIPT
CFK im Automobil –Ein weiter Weg?
Prof. Dr.-Ing. Martin WiedemannInstitut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V
Kunststofftrends im AutomobilKunststofftrends im Automobil28. September 201128. September 2011
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 2
Was macht CarbonFaser verstärkten Kunststoff (CFK) für
Fahrzeugstrukturen so attraktiv?
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 3
Specific Strength and Strain of Lightweight Metals and UD Composite Laminates
Wood
AlMgZnSteel (12%Cr)
UD AFK (Kevlar)
UD GFK (60% FVG)
UD Flax & Phenol
Titan
NiCr 20 TiAl
Short Fiber GMT/LFT
UD CFK (60% FVG) UTS
UD CFK (60% FVG) IM
UD CFK (60% FVG) UMS
100
2100
4100
6100
8100
10100
12100
14100
16100
0 25 50 75 100 125 150 175 200
Specific Strength (Strength Length) / [km]
Spe
cific
Stif
fnes
s (S
trai
n Le
ngth
) E/
[km
]
Vergleich der für das Strukturgewicht entscheidenden Werkstoffeigenschaften Festigkeit und Steifigkeit:
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 4
Endlosfaserverstärktes CFK im Automobil spart am meisten
Strukturgewicht
Was macht den Weg so weit?
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 5
Die Halbzeug-Kosten
Der Entwicklungs-Prozess
Die Herstellungs-Kosten
Die Reparatur
Das Recycling
Herausforderungen der CFK-Anwendung
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 6
Die Halbzeug-Kosten
1170 (29)2000 (50)80 (2)140 (3,5)401,7unidirektionaler CFK-Verbund (längs)
2210 (45)4200 (84)120 (2,5)230 (4,5)501,9HTC-Faser (längs)
45 (45)355 (355)26 (26)205 (205)17,9C-Stahl S355
100 (17)270 (45)26 (4,3)70 (12)62,7Al-Legierung AA6082-T6
50 (25)75 (38)2,3 (1,2)3,5 (1,8)21,5Epoxy
[MPa/g/cm³][MPa] (Rp0,2/$)[GPa/g/cm³][GPa] (E/$)[$][g/cm³]
Rp0,2/r (Rp0,2/$)
Dehngrenze Rp0,2
E/r (E/$*r)E-Modul EPreisindex aDichte r
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 7
Definition Develop Manufacture AssemblyConcept SeriesFeasibility
Orderreleasedfor Project
Top level a/crequirement
Definitionof basicconcept
Concept forproductselected
End development.phase for
basic aircraft
Entryinto
service
Typevalidation
First flightPower onBeginfinal
assembly
Firstmetal cut
Go aheadAuthorisation
tooffer (ATO)
Instructionto
proceed
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M14
Materials Pre-Fabrics Production Finishing Part
CFK-Prozessschritte in der Fertigung
Preparation Forming Infiltration Curing Release
CFK-Prozessschritte in der Bauteilherstellung
Der CFK Entwicklungs-Prozess am Beispiel Flugzeugbau
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
WerkstoffgerechteStrukturkonstruktionWerkstoffgerechte
Strukturkonstruktion
Definition Develop Production AssemblyConcept SeriesFeasibility
Fehlertolerante StrukturauslegungFehlertolerante
Strukturauslegung
Werkstoffe für robuste und effiziente FertigungsprozesseWerkstoffe für robuste und
effiziente Fertigungsprozesse
SchadenstoleranteWerkstoffe
SchadenstoleranteWerkstoffe
KonstuktionsgerechteWerkstoffe
KonstuktionsgerechteWerkstoffe
WartbareStrukturkonstruktion
WartbareStrukturkonstruktion
QualitätssicherbareStrukturauslegung
QualitätssicherbareStrukturauslegung
ToleranzoptimierteStrukturkonstruktionToleranzoptimierte
Strukturkonstruktion
FertigungsgerechteStrukturkonstruktionFertigungsgerechte
Strukturkonstruktion
ModifizierbareStrukturkonstruktion
ModifizierbareStrukturkonstruktion
Beispiele für Abhängigkeiten im Entwicklungs-Prozess
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 9
Unser Profil
Wir sind die Experten für Entwurf und Realisierung anpassungsfähiger, effizient gefertigter, toleranter Leichtbausysteme.Unsere Forschung dient der Verbesserung von
• Umweltverträglichkeit• Gewichtseffizienz• Kosteneffizienz• Funktionalität• Komfort
Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Unsere Fachkompetenzen imInstitut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Unsere Fachkompetenzen
10
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 11
Mit unseren Fachkompetenzen orientieren wir uns entlang der gesamten Prozesskette zur Herstellung anpassungsfähiger, effizient gefertigter, toleranter Leichtbaustrukturen.
Für exzellente Ergebnisse in der Grundlagenforschung und industriellen Anwendung.
Faserverbund-technologie
Adaptronik Verbundprozess-technologie
Funktions-leichtbau
Struktur-mechanik
Multifunktions-werkstoffe
Unsere Fachkompetenzen – Bausteine in derProzesskette des Hochleistungsleichtbaus
Unsere Fachkompetenzen
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 12
Mit unseren Fachkompetenzen orientieren wir uns entlang der gesamten Prozesskette zur Herstellung anpassungsfähiger, effizient gefertigter, toleranter Leichtbaustrukturen.
Für exzellente Ergebnisse in der Grundlagenforschung und industriellen Anwendung.
Faserverbund-technologieFaserverbund-technologie
AdaptronikAdaptronik Verbundprozess-technologie
Verbundprozess-technologie
Funktions-leichtbauFunktions-leichtbau
Struktur-mechanikStruktur-mechanik
Multifunktions-werkstoffe
Multifunktions-werkstoffe
Unsere Fachkompetenzen – Bausteine in derProzesskette des Hochleistungsleichtbaus
Unsere Fachkompetenzen
Das Ziel: Anpassungsfähige,effizient gefertigte, tolerante Leichtbaustrukturen
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
DLR-ZLP im CFK-NORD
CFK-NORD
GroßeBauteile
Volumen-bauteile
Unsere Prozesskette für die Forschung im industriellen MaßstabDLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP)
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Stuttgart
Oberpfaffenhofen
HamburgBremen-
Augsburg München
Stade
ZLP Standort StadeProf. Wiedemann, Dr. Meyer
Pfinztal Karlsruhe
Braunschweig
ZLP
ZLP Standort AugsburgProf. Voggenreiter, Dr. Dudenhausen
Leiter des ZLPDr. Meyer
Unsere Prozesskette für die Forschung im industriellen MaßstabDLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP)
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
ZLP
ZLP
Standort Augsburg
Schwerpunkt CFK-Technologie Textil- und Infusionstechnologie Robotik, Sensorik, Mechatronik Duromer- und Thermoplastverarbeitung Produktionsintegrierte Qualitätssicherung Montage- und Verbindungstechnologien
Unsere Prozesskette für die Forschung im industriellen MaßstabDLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP)
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Schwerpunkt CFK-Technologie AFP robotisch basiert Volumenbauteile Online-QS für Autoklavprozesse Duromerverarbeitung – Prepreg Formwerkzeugtechnologie Prozesssimulation
Schwerpunkt CFK-Technologie AFP robotisch basiert Volumenbauteile Online-QS für Autoklavprozesse Duromerverarbeitung – Prepreg Formwerkzeugtechnologie Prozesssimulation
ZLP
ZLP
Standort Stade
ZLP Forschungsschwerpunkte im CFK-NORD
Unsere Prozesskette für die Forschung im industriellen MaßstabDLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORD
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Endkonturnahe Volumenbauteile - Zielbauteile
Komplexe, 3D-gekrümmte Geometrien (Luftfahrt und Automotive) Stückzahlen bis 100.000 Stück/Jahr Äußerst kosteneffizient Sehr hohe Prozesssicherheit
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Schw
erpu
nkt E
Vo
• Class-A Oberfläche
• designgetriebene Geometrie
• Gleichmäßige, hohe Energiedissipation bei Frontal- und Seitencrash
• Gestaltfestigkeit bei Frontal- und Seitencrash
hohe Biege- und Torsions-steifigkeit
Außenhautbauteile
Energiedissipierende Strukturbauteile
Gestaltfeste StrukturbauteileQuelle: Dallara
Quelle: AudiQuelle: BMW
Quelle: Lotus
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Endkonturnahe Volumenbauteile - Zielbauteile
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Flächiges Bauteil Lokale Aufdickungen Metallinlays Schaumkerne
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Zielbauteil Fahrzeugbodengruppe
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
automatisierte Produktionslinie für den Testbetrieb
RTM Technologie kombinierte Preform Technologien Endkontur-Bauteilherstellung Online-Qualitätssicherung
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Endkonturnahe Volumenbauteile - Anlage
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Gesamtanlagenkonzept / Systemprozesssteuerung / Digitales LDS
Preforming Injektion
PROZESSRICHTUNG
Faserhalbzeug
Materiallager
Geometrie
Sekundäre Preforms Einbinden fertiger Sub-Preforms
Primäres PreformingPreformen innerhalb
der Prozesskette
Feinbesäumen
EinlegenHarzmatrix
RTM- Prozess
Aushärten
Entformung
Reinigung
Endkonturnahes B
auteilDLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Endkonturnahe Volumenbauteile – Prozesskette
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Harzsysteme
Forschungs- und Entwicklungsthemen
Charakterisierung unterschiedlicherschneller Harzsysteme
Entwicklung von Verarbeitungsstrategien von sehr schnellen Harzsystemen im Labormaßstab (Mischen/Entgasen/Härten)
Einfluss der Beschleunigerkonzentration von LY556/HY917/DY070 auf die Härtungund die Materialeigenschaften
0
20
40
60
80
100
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Zeit / s
Um
satz
/ % LYHYDY2,0
LYHYDY1,5LYHYDY1,0LYHYDY0,5
3150
3200
3250
3300
3350
3400
3450
3500
0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2
Beschleunigerkonzentration / Gew.-%
Bie
gem
odul
/ M
Pa
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Forschungs- und Entwicklungsthemen
Validierung Drapiersimulationen Auswahl geeigneter Faserhalbzeuge
abhängig vom Drapiergrad Entwicklung von automatisierten
Teilanlagen / Anlagenkomponenten
Ergebnis:Drapier-Simulation
Anlagen zur kontinuierlichen Preform-Erstellung
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Preformprozesse 1/2
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Forschungs- und Entwicklungsthemen
Auswahl / Abstimmung Bindertechnologie auf Preform,- Injektionsprozess inkl. Untersuchung Harzkompatibilität
Effizientes Wärmemangement im Preform-prozess (Induktion, Mikrowelle, Flüssigkeit)
Preformendbeschnitttechnologien(u.a. Laser-basiert)
Beispiel: Laserschnitt4 Lagen 300g/m² @ 10000mm/minCO2 Laser 250W Quelle: LZH
CTC / DLRMikrowellen-Preformanlage
Wärmeeinbringungmittels Induktion in Anlage zurkontinuierlichen Preformerstellung
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Preformprozesse 2/2
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Forschungs- und Entwicklungsthemen
Mechanischer Feinschnitt mit Ultraschall Laserbeschnitt
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Feinbesäumung
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Preforming - Planungsstand
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Forschungs- und Entwicklungsthemen
Analyse von Einflussparametern abhängig von verwendeten Verfahrensvarianten, Randbedingungen aus
Vorprozessen und Halbzeugen
Entwicklung von Tränkungstrategien fürprozessichere Schnelltränkung (mittels Fließsimuation)
Handling- undEinlege-Toleranzen
300 s
0 s
Füllz
eit
=>
Injektionsdruck:2 bar
Ergebnisse:Tränkungs-Simulation
Folgen fehlerhafterTränkung
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Injektionsprozesse 1/2
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Forschungs- und Entwicklungsthemen
Thermalmanagementkonzepte(Induktion, Mikrowelle, Flüssigkeit)
Entwicklung von Ansätzen zur Konzeption, Auslegung und Konstruktion von Formwerkzeug
Ermittlung von optimalen Prozess-parametern (Temperatur, Druck, Zeit: abhängig von Harzsystem und Tränkungsstrategie
Thermal-Management mittels Flüssigkeitskreislauf
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Injektionsprozesse 2/2
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Injektion und Tempern - Planungsstand
Temperofen Doppelkammerofen Jeweils 2 Bauteile mit Kernwerkzeug
bei vollem Bauteilraster pro Ofenkammer
Modularer Aufbau, zweiteilige Beauftragung
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Ultraschallsensorik zur Tränkungskontrolle
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Qualitätssicherungsverfahren
Forschungs- und Entwicklungsthemen
Sensorik in Preform- und Injektionsprozess Fehlereinflussanalyse Umfassende Technologiebewertung Berücksichtigung von
ISO 9001 und 9100
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
Forschungs- und Entwicklungsthemen
Schnittstellendefinition und Harmonisierung Integration aller Teilanlagensteuerungen in
einem Leitstand Sammeln relevanter Prozessdaten
Maschinenparameter Sammeln Messtechnischer Daten
Sensorik, inline-QS Auswertung und Bewertung von Daten
Digitales Life-Data-Sheet Wissenschaftliche Betrachtung des
Zusammenhangs von Qualität, Produktivität und Wirtschaftlichkeit Prozessfenster
Quelle: RWTH
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Gesamtanlagensteuerung
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDProjekt EVo: Endkonturnahe Volumenbauteile
Unsere Ziele
>100.000 Bauteile/Jahr
90-100% Automatisierung
Minimaler Ressourcenverbrauch
Selbstlernfähigkeit
Funktionsintegration
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik
DLR Zentrum für Leichtbau-Produktionstechnologie (ZLP) im CFK NORDForschen im Industriemaßstab – Weitere Projekte
VirtuellerAutoklav
MasterboxAuswertung
RealerAutoklav
Projekt GroFiGroßbauteile in Fiber-Placementtechnologie
Kooperierende Roboter mit Kombinierter AFT und ATL Technologie zum Legen von Großbauteilen
Projekt OnQAOnline Qualitätssicherung im Autoklav
Forschungsautoklav mit 5,80m Innendurchmesser und 20m Länge, Sensorgestützte Echtzeitsimulation
CFK in Automobil – Ein weiter Weg? M. Wiedemann, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik 34
… sind die Pioniere des anpassungsfähigen Hochleistungsleichtbaus
… erweitern in gemeinsamer Spitzenforschung das Wissen
… bauen die Brücke von den Grundlagen in die Anwendungen
… sind zuverlässige und seriöse Partner … arbeiten professionell
Für weitere Informationen besuchen Sie unsere Internetseite www.dlr.de/fa
Unser Leitbild
Gerne kommen wir für ein persönliches Gespräch zu Ihnen oder begrüßen Sie in unserem Institut.
Sprechen Sie uns an.
Wir...