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Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen
Wissenschaftstag – Potentiale der Hybridbauweisen DLR, Braunschweig, 2. Oktober 2014 Dr.-Ing. Christian Hühne Abteilungsleiter Funktionsleichtbau
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Quelle: Airbus
Anforderungen
Funktionsleichtbau Struktur als Optimum aus Gewicht und Funktionen des Bauteils Stoffleichtbau Werkstoff mit guten spezifischen Eigenschaften Integrationsleichtbau Optimal gefertigte integrale Struktur in Bezug auf Kosten und Fertigungsaufwand
Arten des Leichtbaus
Funktions- Leichtbau
Stoff- Leichtbau
Form- Leichtbau
*) Source: Mercedes
*
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Integrations- Leichtbau
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Funktionsleichtbau: Vom Material zum Produkt
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Material
Produkt
Entwurf
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Material: Faserverstärkte Kunststoffe
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Natur- Faser
Glas- Faser
C- Faser
Material
Produkt
Entwurf
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Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen
Material
Produkt
Entwurf
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Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen
Material Modifikation
Materialgerechter Entwurf
Strukturintegrierte Komponenten
Material
Produkt
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Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen
Hybrid- Laminarisierung
Materialgerechter Entwurf
Strukturintegrierte Komponenten
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Ziele des Multi-Material Fahrzeugkonzeptes:
- Gewichtsreduktion - Erhöhung der Sicherheit - Innovative Modularisierungs-
Strategien
Konzeptauto “Neue Fahrzeugstrukturen (NFS)”
Brennstoffzelle
Freikolben-Lineargenerator
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DLR – Project NFS Institute FK, FA, BT
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Mechanisches Wirkprinzip des Spantes beim Seitencrash:
- Integerer B-Säulenbereich - Fließgelenk im Dachholmbereich - Energieabsorption im Unterboden
B-Säule aus CFK
DLR – Project NFS Institute FK, FA, BT
Bodenquerträger mit Crash-Element : Minimale Verformung im Spant bei maximaler Energieaufnahme in den Crashelementen
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Funktionsprinzip CFK-Ringspant: - Gelenk am Dachholm - Crash-Koni im Bodenbereich - B-Spant
B-Säule aus CFK
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Funktionsprinzip CFK-Ringspant:
B-Säule aus CFK
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Außenschale
Innenschale
Omega-Versteifung
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Crash-Test NCAP
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Crash-Test IIHS
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Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen
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Hybrid- Laminarisierung
Materialgerechter Entwurf
Strukturintegrierte Komponenten
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- Rumpf-Panel als asym- metrischer Sandwich
- Aluminium-Außenhaut zur Impact-Detektion
- Sandwich-Bauweise verbessert Beulstabilität
- Längs-Versteifungen (Longerons) sind in den Sandwich integriert (keine Mouse-Holes in den Spanten)
Hybride Laminate vs. Hybride Strukturen Ähnliche Herausforderungen andere Einsatzgebiete
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Longerons als Hybrid-Laminat
mit Schaum-Kern
‘Bürgernahes Flugzeug’
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Herausforderungen in hybriden Laminaten
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Anbindung
Eigenspannungen
Korrosion
Kosteneffiziente Fertigung
NDI Methoden
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Herausforderungen in hybriden Laminaten
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Anbindung
Eigenspannungen
Korrosion
Kosteneffiziente Fertigung
NDI Methoden
Multimaterial-Team der Abteilung Funktionsleichtbau
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Herausforderungen in hybriden Laminaten Die Anbindung – Voruntersuchungen im Labormaßstab
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Herausforderungen in hybriden Laminaten Die Anbindung – Realisierung einer Vakuumsaugstrahlanlage
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Herausforderungen in hybriden Laminaten Thermische Residualspannungen
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Thermoelastisches Verhalten (thermische Ausdehung von Faser, WZ und Metalllagen)
Viskoelastische Eigenschaften (Matrix während der Aushärtung)
Elastische Eigenschaften (Mechanische Interaktion)
WZ oder Metalleinzellage
∆𝐿 = 𝐿0 𝛼 ∆𝑇
Verhalten während der Laminataushärtung
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Herausforderungen in hybriden Laminaten Thermische Residualspannungen: Einflussmöglichkeiten
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Prozess-modifikation
Material-modifikation
Konstruktive Modifikation
Veränderung der Eigenspannungen
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Herausforderungen in hybriden Laminaten Thermische Residualspannungen
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Referenz
Druck-änderung
Temp-änderung
- Eigenspannungsniveau beispielhaft bei unterschiedlichen Maßnahmen
- Zwei verschiedene Ansätze zur Ermittlung der Eigenspannungen
Konstruktive Maßnahme
Eigenspannungen in intrinsischen Hybridverbunden – Ermittlung, Modifikation und Berücksichtigung in der Fertigung und der numerischen Schadensmodellierung „Intrinsische Hybridverbunde – Grundlagen der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung“ (SPP 1712)
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Herausforderungen in hybriden Laminaten Dauerhaltbarkeit
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Motivation: - Betriebssicherheit - Kostenwirksamkeit
Problemstellung:
- Harzmatrix kann die Feuchtigkeit absorbieren
- Kohlenstofffasern sind elektrisch leitfähig
- Metall und CFK in Kontakt
Zwischenfazit: - Anforderungen zur Entstehung eines
galvanischen Elementes erfüllt - Potentialdifferenz (CFK/Stahl)
beträgt 160 mV vs. Ag/AgCl
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Ziele: - Auftretende Korrosion an der
CFK/Metall-Schnittstelle erfassen - Veränderungen der mechanischen
Eigenschaften prognostizierbar machen Versuchsumfang:
- Elektrochemische Verfahren - Alterungstests im Klimakammer - Mechanische Prüfungen - Analytisches Modell
Ergebnisse: - Quantitative Aussage zur Entstehung
eines galvanischen Elementes - Detaillierte Auswertung der
Korrosionsanfälligkeit (in Arbeit) - Bestimmung der Korrosionsform
Herausforderungen in hybriden Laminaten Dauerhaltbarkeit
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TRoPHy I (OHLF Vorphase 15.3.2013 – 14.03.2014) Thermoplastische Rollgeformte Profile in Hybridbauweise I
Effiziente Herstellung mittels Rollprofilierung in der Open Hybrid LabFactory
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Ergebnisse aus TRoPHy I: Lastenheft für Anforderungen an
die Zielbauteile erstellt Kombination aus elektrolytisch
verzinktem Feinblech mit KSP und faserverstärktem PA6 als geeignet identifiziert
Identifikation und Auswahl eines Rollform-Fertigungsprozesses
Mögliches Gewichtseinsparpotenzial bei nicht optimiertem Hybridwerkstoff: 23% bzw. 34% für die beiden potenziellen Bauteile
Entwicklung einer prototypischen Rollformanlage
FE-Simulation des Umformprozesses
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TRoPHy I (OHLF Vorphase 15.3.2013 – 14.03.2014) Thermoplastische Rollgeformte Profile in Hybridbauweise I
Effiziente Herstellung mittels Rollprofilierung in der Open Hybrid LabFactory
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Ergebnisse aus TRoPHy I: Lastenheft für Anforderungen an
die Zielbauteile erstellt Kombination aus elektrolytisch
verzinktem Feinblech mit KSP und faserverstärktem PA6 als geeignet identifiziert
Identifikation und Auswahl eines Rollform-Fertigungsprozesses
Mögliches Gewichtseinsparpotenzial bei nicht optimiertem Hybridwerkstoff: 23% bzw. 34% für die beiden potenziellen Bauteile
Entwicklung einer prototypischen Rollformanlage
FE-Simulation des Umformprozesses
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Einsatzgebiet: Lokale Metall-Hybridisierung Konzept
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Idee: - Lokale Nutzung der Metall-Plastizität
zur Erhöhung der Lochleibungsfestigkeit
- Spezifische Eigenschaften des CFK-Materials bleiben erhalten
Umsetzung:
- Lagen werden nur lokal substituiert - Metalllagen mit gleicher Dicke
wie CFK-Lagen - Transitions-Zone von der hybriden zur
monolithischen CFK-Struktur
Vorteile: - Volumen bleibt konstant - Keine Exzentrizitäten und
Sekundär-Biegemomente
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Verbesserte Intersegment-Verbindung:
- Konstante Dicke durch erhöhte Lochleibungsfestigkeit (an Stelle der Aufdickung)
- Gewichtseinsparung durch kürzere Bolzen
- Keine Biegemomente durch Exzentrizitäten
- Bolzenreihe eingespart
- Reduzierte Überlappungslänge Re-Design führt zu enormen Gewichtseinsparungen!
Einsatzgebiet: Lokale Metall-Hybridisierung Anwendung ISJ Ariane 5 Booster
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Referenz (MT Aerospace)
Verbesserter Entwurf (DLR)
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Einsatzgebiet: CFK-UD-Stahllaminate Die Motivation
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Quasi-isotropic-laminate
UD-laminate UD-laminate + steel foil
stiff
ness
da
mag
e re
sist
ance
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Einsatzgebiet: CFK-UD-Stahllaminate Der verfolgte Ansatz
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steel foil 1.4310 CRES (0.05 mm
and thinner)
CFRP-prepreg HexPly® 8552/AS4 (0.13 mm)
MRCC for monolithic components
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CFK-UD-Stahllaminate Ergebnisse
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specific compression strength of the hybrid laminate is approx. 14 % higher than strength of CFRP-(62.5/25/12.5)
specific compression modulus of the hybrid laminate is increased by approx. 13 % compared to CFRP-(62.5/25/12.5)
Bei 30 J Impact versagt das CFK-UD-Laminat vollständig, während die anderen beiden Laminate eine vergleichbare Druckrestfestigkeit zeigen
D. Stefaniak and E. Kappel and B. Kolesnikov and C. Hühne Improving the mechanical performance of unidirectional CFRP by metal-hybridization
ECCM15 - 15th European Conference on Composite Materials, Venice, Italy, 2012
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Plastizität Flachproben
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Motivation: Pfahlcrash einer Faserverbundkarosserie Problem: Vermindertes Energieaufnahmevermögen von CFK bei Biegebeanspruchung Innovation: Mehrschichtiges hybrides Verbundmaterial Untersuchung: Spezifische Energieaufnahme und Maximalkraft unter Biegebeanspruchung Potentiale des hybriden Verbundmaterials:
- Spezifische Energieaufnahme +50% gegenüber CFK
- Spezifische Maximalkraft Vergleichbar zu CFK
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Plastizität Rohrproben
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Innovation: Herstellung geschlossener Profile Stahl-CFK-Mehrschichtverbund Versuchsumfang:
- Quasi-statische Tests - Hochdynamische Tests am Fallwerk
(8m/s) Untersuchte Einflussparameter:
- Orientierung der Einzellagen - Halbzeugart (UD vs. Gewebe) - Metallgehalt
Ergebnisse:
- Detaillierte Auswertung gegenwärtig in Arbeit
- Einflussparameter lassen keine pauschale Aussage zu
Video
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Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen
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Hybrid- Laminarisierung
Materialgerechter Entwurf
Strukturintegrierte Komponenten
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Mit steigendem Informationsaustausch im Straßenverkehr wächst die Nachfrage an kabellosen Kommunikationskanälen und den dazugehörigen Antennenstrukturen Die Antenne wird in die Struktur integriert um eine optimale Positionierung und eine verbesserte Abstrahlcharakteristik zu erzeugen Aktuelle Antenne ist 9 cm hoch, der Bauraum soll weiter vermindert werden Durch die Integration der Antenne in die Fahrzeugstruktur lassen sich Aufbauten vermeiden, welche die Aerodynamik des Fahrzeuges beeinflussen. Weiterhin vermindert sich der Installationsaufwand bei der Montage.
Strukturintegriertes Antennendesign Car-to-X Kommunikation (C2X)
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Kreuzung Rebenring - Hagenring [AUM-MUW]
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Sandwichbauweise mit reduzierter Bauhöhe und redundanten Antennen-Design Montage auf einem VW T5 Institut für Verkehrssystemtechnik stellt Messtechnik und Infrastruktur. Die Realerprobung findet auf dem DLR Gelände und auf dem Braunschweiger Ring statt.
Antennen-Design in der Realerprobung
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Messung und Auswertung von Latenzen, Paketverlustraten und Paketgrößen mit einem mobilen Fahrzeugmessaufbau inkl. DGPS-Sensorik sowie einer Labor-Lichtsignalanlage auf Basis 802.11p (Automotive-WLAN)
Erprobung auf dem DLR-Gelände
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Validierung der Antenne – Braunschweiger Ring
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Die Antenne wurde erfolgreich vermessen und getestet: − Die Ergebnisse der integrierten Antenne
sind vergleichbar gut wie die, einer kommerziell verfügbaren Antenne
Durch eine gezielte Weiterentwicklung können funktionsintegrierte Karosseriebauteile identifiziert werden, in dass das Antennendesign für die Car2X Kommunikation integriert werden kann: − Mögliche Bauteile sind Schiebedach,
Motorhaube oder das komplette Fahrzeugdach
Fazit Realerprobung
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Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen
Material Modifikation
Materialgerechter Entwurf
Strukturintegrierte Komponenten
Material
Produkt
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Dr.-Ing. Christian Hühne Abteilungsleiter Funktionsleichtbau
DLR Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Lilienthalplatz 7 38108 Braunschweig Telefon: 0531 295 2310 Email: [email protected]
Vielen Dank!