Konzeptentwicklung für ein funktionsintegriertes Bodenmodul

Kurzfassung

Leichtbau durch Funktionsintegration bietet als systemischer Ansatz großes Potential die Gewichtspirale im Fahrzeugbau zu durchbrechen und den heutigen Herausforderungen im Kontext des Klimawandels und globaler CO2-Ziele, der Ressourceneffizienz und der Nachhaltigkeit zu begegnen. Dabei bieten insbesondere faserverstärkte Kunststoffe (FVK) auf Grund ihres spezifischen Aufbaus und ihrer Herstellungsprozesse - über die reine Gewichtsreduktion im Sinne des Werkstoffleichtbaus hinaus - hervorragende Möglichkeiten zur Integration zusätzlicher Funktionen. Dabei können Gewichtsreduktionspotentiale sowohl durch die direkte Integration von Funktionen in Strukturbauteile als auch durch die Erschließung sekundärer Leichtbaupotentiale realisiert werden. Die größte Herausforderung für die Funktionalisierung von FVK-Strukturbauteilen besteht in diesem Kontext derzeit in der effizienten, industriell umsetzbaren Integration von Funktionen in die Bauteile selbst und der parallelen Entwicklung prozesssicherer, automatisierter und wirtschaftlicher Fertigungsprozesse. Das in dieser Veröffentlichung vorgestellte Projekt "LeiFu - Intelligenter Leichtbau durch Funktionsintegration" hatte daher zum Ziel, auf Basis von Funktionsintegration neue Ansätze zum Durchbrechen der Gewichtsspirale im Bereich Automobil zu schaffen und dabei die besonderen Potentiale von faserverstärkten Kunststoffen zu erschließen. Die Umsetzung erfolgt dabei im Hinblick auf die automobile Großserie derart, dass durch die kostensparenden Effekte der Funktionsintegration etwaige Mehrkosten des Gesamtsystems durch den vergleichsweisen teuren FVK-Einsatz möglichst vermieden werden. Die Veröffentlichung zeichnet den Weg von der Ermittlung der Anforderungen an ein automobiles Realbauteil über die Entwicklung und Bewertung von Ansätzen zur Funktionalisierung hin zu Konzeptentwicklung und zur Umsetzungsphase nach. Hierfür werden zunächst Funktionalitäten entwickelt und deren Integrationsmöglichkeit anhand verschiedener Einzelfunktionsdemonstratoren nachgewiesen. In Teilaufbauten werden mechanische Funktionen (z.B. Crash, NVH), thermische Funktionen (z.B. Heizung, Isolation), sensorische Funktionen (z.B. Structural Health Monitoring, Detektion von Flüssigkeitsaustritt) sowie elektrische Funktionen (z.B. berührungsloses Laden) integriert. Basierend auf Technologiebewertungen und funktionalen Tests werden diese in einem funktionsintegrierten Bodenmodul zusammengeführt. Im Anschluss an die Integration der Einzeltechnologien in das Bodenmodul wurde dieses Im Hinblick auf Funktion, Gewicht, Kosten und Herstellbarkeit weiter optimiert. Simultan erfolgten hierzu Optimierungen der Einzeltechnologien hinsichtlich des Gesamtsystems. Zentrale Punkte waren hierbei eine weitere Gewichtsreduzierung, eine Optimierung von Festigkeit und Steifigkeit im Hinblick auf das eingesetzte Werkstoffvolumen wie etwa durch gewichtsoptimale Wanddickenverteilung und durch Lastpfadoptimierungen sowie die Faseroberflächenoptimierung. Das Ergebnis von LeiFu sind erprobte, hochfunktionsintegrierte und großserientaugliche FVK-Leichtbaustrukturen. Im Vergleich zur funktional gleichwertigen Referenzstruktur mit 74 Teilen bei 113,2 kg Gesamtgewicht, kann der LeiFu-Boden eine signifikante Gewichts- und Telezahlreduktion verzeichnen. Die finale Struktur wiegt 70,5kg bei 28 Teilen. Dies entspricht einer Gewichtseinsparung von 38% bei einer gleichzeitigen Reduzierung der Teilezahl von 62%.