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CFK – Technologie im Automobilbau: Was man von anderen

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Technische Universität München
CFK – Technologie im Automobilbau:
Was man von anderen Märkten lernen kann
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
SGL Lehrstuhl für Carbon Composites
TU München
C.C.e.V. Automotive Symposium
y p
Neckarsulm, Juni 2010
Lehrstuhl für Carbon Composites
gestiftet von
Übersicht
•
Faserverbundwerkstoffe im Flugzeugbau,
Flugzeugbau Automobilbau und der
Windenergie
•
•
•
B d t
Bedeutung
und
d Entwicklung
E t i kl
des
d Leichtbaus
L i htb
•
Marktentwicklung
•
Entwicklungsschwerpunkte
CFK im Großserienautomobilbau
•
Einführungsszenarien
•
textile Vorformlingtechnologie als Beispiel für Automatisierung
•
CAE Simulationskette
Technologiebewertung, Portfolio-Analysen
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
2
Gewichtsentwicklung im Flugzeugbau
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
3
y ~ x3
,
y ~ x2,34
REpower 5M
Vestas
V
t V52
Vestas HVK
Enercon E66
StGW-34
alt
neue Blätter: Masse ~ x2,4
neu
neue Blätter: Masse ~ x3
[fk-w
wind; vestas.com; pesn.com; wind-energie.d
de; lh6.ggpht.com ;
caeb
bridge.com]
Entwicklung des spezifischen Blattgewichts
[Hau]
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
4
Entwicklung
des Kraftstoffverbrauchs
Gewichtsentwicklung
bei Fahrzeugen
Fahrzeugleergewicht
Verbrauch l/100km
1200
1155
1142
9
1090
1015
1000
800
8
780
600
7
Verbrauch
Fffahrzeugleerge
ewicht
870
400
6
200
0
5
1975 Golf I
29.06.2010
1983 Golf II
1992 Golf III
1998 Golf IV
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
2003 Golf V
2008 Golf VI
5
Gewichtstreiber:
Hybridy
Elektroantrieb
FahrzeugFahrzeug
Gewicht
Zusatzfunktionen
Emissionen
1000 kg
Sicherheit
Zuverlässigk it
keit
Verbrauch
Komfort
2000
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
Zeitachse
6
Bedeutung des Leichtbaus im Flugzeugbau
Flugzeugtyp
A320
(73 5 to
(73,5
MTOW)
Reduzierung
Anzahl
Fl
Flugzeuge
1
-10kg
10kg
Einsparung
Flü
Flüge
1
M
Menge
Ei h it
Einheit
1,75 Liter / Flug / Flugzeug
1
1125 / Jahr
1 974
1.974
3404
1125 / Jahr
6.718.875
Liter / Jahr / Flugzeug
Liter / Jahr
(Quelle: Airbus)
Nutzen:
ü weniger Treibstoffverbrauch
ü grössere Reichweite
ü mehr
h N
Nutzlast
t l t
29.06.2010
Ø bessere Umwelt-Bilanz
Ø höherer
höh
P
Passagierkomfort
i k f t
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
7
Trend Anlagenwachstum
5.000 kW
140
Serien-WEA
Prototypen
Roto
ordurchmess
ser / m
120
2.500 kW
10
0
8
0
500 kW
6
0
50 kW
4
0
2
0
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
Jahr
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
[DE
EWI]
Stand 03/07
0
8
Potentielle Gewichtsersparnis 40m Blatt
-25%
-57%
CFK-Gurt
Rest GFK
[Diplomarbeit A. Altmann LCC / Acentiss GmbH, 2010:
Bauweisenkonzept und numerische Simulation von Rotorblättern für Windenergieanlagen unter Berücksichtigung spezieller Fertigungsverfahren]
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
9
R
Reduction
off emissions
Bedeutung des Leichtbaus im Fahrzeugbau
Impact of the car weight on CO2
Emission:
Weight reduction of 100 kg effects:
CO2 E
Emission
i i
- 8.8*
8 8* up tto - 12.5**
12 5** gr./km
/k
R
Reducing
cost
of ownership
* NEFZ and **KUV with gearbox adaptation
Impact of the car weight on fuel
consumption:
Weight reduction of 100 kg effects:
Fuel consumption
p
- 0.35* up
p to -0.5** l/100 km
Impact of the car weight on driving
performance:
Weight reduction effects generally:
+ Longitudinal / transversal dynamics
+ Axle
A l load
l d distribution
di t ib ti
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
(Quelle: Aud
di)
Increasin
ng
performan
nce
* NEFZ and **KUV with gearbox adaptation
10
Entwicklung der Stückzahlen im Flugzeugbau
geplante Produktionszahlen
A 320 - Nachfolger (ca. 2015)
480 Flugzeuge pro Jahr
480 Rümpfe
> 40.000 Spante
> 100.000
100 000 Stringerelemente
920 Flügelhälften
480 Seitenleitwerke
960 Höhenleitwerke
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
11
Wind Energie - Trends
Ziel in Deutschland 2020: 30% des Strombedarfs aus Erneuerbaren Energien
[DEWI]
[EWEA]
Erwartete Verdreifachung des weltweiten Marktes in den nächsten 10 Jahren
Entwicklung in Deutschland
Windenergieanteil in Deutschland: 6,4%
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
Deutschland im Europäischen Vergleich
Windenergieanteil in Europa: 4,2%
12
Entwicklung der Stückzahlen im Fahrzeugbau
Einheiiten
Gesamtfahrzeuge
pro Jahr
Fahrzeuge
pro Modell
1950
1974
g
Forderungen
29.06.2010
1985
2004
Zeit
● kürzere Entwicklungszeiten
● höhere Flexibilität
● geringere Investitionskosten
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
13
Automatisierung im Flugzeugbau – Placement Technologien
Volume
rate
15kg/h
Automated Tape Laying
(ATL)
ATL constrained by a high degree
of double-curvature
10kg/h
AFP constrained by
sub-component size
8kg/h
Automated Fiber Placement
(AFP)
5.5kg/h
5kg/h
4kg/h
3kg/h
4.7kg/h
Hand Lay-up
2kg/h
1kg/h
0 5kg/h
0.5kg/h
Low
Medium
1.6kg/h
High
2kg/h
constrained by
mould size
Very High
Complexity of Mould Geometry and Lay-up
Thanks to SAMPE 2003 Keynote, Jens Hinrichsen & Chris Reed
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
14
Automatisierung im Flugzeugbau ‐ Flechttechnik
CTC Stade  Pilotanlage für Flugzeugspante:
BIAX-Flechten
•
•
komplexe CFK Spanten
voll automatisiert geflochten
•
Ca. 1600m pro Flugzeug
 Großserie“
„Großserie“
Für A320-Nachfolger >40000
Spante/Jahr
•
29.06.2010
Quelle:
EADS IW, SGL Kümpers
90°-Wickeln
UD-Flechten
15
Fertigungshalle Rotorblätter
Herstellen der Stege
Herstellen der Gurte
Bereits ausgehärteter Gurt
Einkleben der Stege in eine
Schalenhälfte vor der Fügung
Balsaholz
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
[SGL Rotec, Euros]]
Vorbereitung
V
b it
zur
Vakuuminfusion Blattschale
16
Automatisierung in der Windenergie (Quelle MAG)
[MA
AG]
Formvorbereitung
g Auftragen
g des
Gelcot
Automatisierte Faserablage in beide Rotorblattschalen
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
17
Zykluszeit in Abhängigkeit der Bauteilkomplexität
Vergleich verschiedener Technologien
Z kl
Zykluszeit
it
Pultrusion
schnell
Preform + RTM
Tapelegen/AFP (Prepreg)
Hand Lay-Up + Autoklav
langsam
Komplexität
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
18
Struktur- und Bauweisen-Konzepte für Faserverbund-Fahrzeuge
29.06.2010
Voll CFK, konventionelles Konzept
Metall / CFK Hybridwerkstoff
(Quelle: Mercedes)
(Quelle: SGL Benteler)
Metall / CFK Hybridstruktur
Voll CFK,
CFK CFK-gerechtes
CFK gerechtes Konzept
(Quelle: Audi)
(Quelle: IOI)
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
19
Großserientaugliche FVK Technologie
Low-Cost Carbonfaser
Textiltechnik
Vorformlingtechnologie
Strukturkomponente
Konsolidierung, Aushärten
Imprägnierung
Montage
Body-in-white
Betrieb
(Quelle: Daimler Chrysler)
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
20
Flechten
Sticken
Wirken, Weben
Automatisierung
durch Textiltechnik
Nähen
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
21
Herstellungskosten am Beispiel eines geflochtenen „Überrollspoilers“
• derzeit nur aus flächigen Halbzeugen
mit
it aufwendiger
f
di
H
Handarbeit
d b it d
darstellbar
t llb
Ø Flechttechnik ermöglicht automatisierte
automatisierte,
schnelle und kostengünstige Preformherstellung.
(kein Schneiden oder Bindern;
Herstellung direkt vom Roving,
geringer Verschnitt)
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
22
Roboterunterstützes Flechten
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
23
Kostenvergleich von unterschiedl. Fasertypen am Bsp. des „Spoilers“
Faser
Faserkosten je Spoiler (2kg)
L
Lagenanzahl
hl bei
b i gleicher
l i h W
Wandstärke
d tä k
12 K HT
24 K HT
50 K LowCost
64 €
60 €
40 €
4
2
1
Flechtzeit
10 min
5 min
2,5 min
Flechtkosten (Maschine + Personal)
16 €
8€
4€
Gesamtkosten
80 €
68 €
44 €
- 25%
- 45%
Kostenreduktion
100%
80%
Preformkosten
60%
40%
20%
0%
12 K HT
29.06.2010
24 K HT
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
50 K Lowcost
o cos
op
optimierte
e e Faserase
und Flechttechnologie
24
Verschnittreduzierung durch Flechten
2 verklebte Schalen aus Multiaxial
Gelege
g
Geflochtenes Hohlprofil
((Integralbauweise)
g
)
Verschnitt >40%
Verschnitt < 10%
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
25
Zykluszeitreduzierung im RTM-Prozess durch neue Harze und Prozesse
Ei
Einsparmöglichkeiten
ö li hk i
Zeit- und Kostentreiber
•
•
Heiz- und Kühlzyklen
Aushärtevorgang
RTM‐Automotive (isotherm)
140
RTM‐
Automotive
Injektion
130
120
110
Aushärtung
100
90
Nachtempern
80
Ca 2-3h
Ca.
2 3h
70
110
Temperaatur [°C]
Temperatur [°C]
•
•
Materialeigenschaften (Snap-Cure)
Neue Prozesse z.B. Quickstep
Snap‐Cure‐Harz
RTM‐
Ausblick
105
Injektion
j
100
95
Aushärtung
90
85
Zeit [min] 80
Zeit [min] 60
0
5
10
RTM-Hauptprozess
15
0
5
10
15
20
20
Außerhalb
RTM-Werkzeug
Nachhärtung
im Ofen
Vollständiger
RTM-Prozess
Ersparnis:
63% reine Zykluszeit
97% da kein Nachtempern
Alternative, schnelle und energieeffiziente Aushärteverfahren
Energieeffiziente
E
i ffi i t Aushärtung
A hä t
von
Faserverbundbauteilen
„Quickstep™“- Prozess
• Prepreg-Bauteile
• Infusion von trockenen Faserverbundbauteilen
(AFP) und anschließende Aushärtung
Potentiale
g der Prozesszeiten im Vergleich
g
• Verkürzung
zu herkömmlichen Aushärteverfahren
• Direkte Wärmeübertragung
• Hohe Wärmeleitfähigkeit des Fluids
• Verringerung des Energieverbrauchs durch
intelligente Fluid-Zirkulation
und Fluid-Erwärmung
eratur
[°C
C]
TTempe
em p er
ratu r [°C
]
www.
.uni-stuttga
art.de
Institut für Flugzeugbau
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
∆T = ~ 40 %; ∆E = ~ 40 %
Zeit/Energie
Zeit / Energie
Flüssigkeit Transfer Beheizung
Flüssigkeit-Transfer-Beheizung
Herkömmliche Verfahren
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
27
Herausforderung CAE
CAE-Kette:
Kette: Prozessimulation und Strukturmechanik
•
•
•
•
•
Anisotropie der Eigenschaften
Fehlende Datenbasis
Komplexe Versagensmechanismen
Kopplung von Eigenschaften und Fertigung
Fehlende Erfahrung
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
28
Institut für Flugzeugbau
www.
.uni-stuttga
art.de
Werkstoff/Prozess - Modellierung
Muster
Geflochtener Zylinder
3D Geometrie
Mikromechanik
Einheitszelle
Makromechanik
Prozess-Simulation
29.06.2010
Triaxiale Faserablage am Bauteil
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
Festigkeit/Steifigkeit
29
ITOOL - Simulationskette
FEM- Modell
Geometrisches Modell
(Einheitszelle)
Design Guidelines
Test
Educational tools
Simulation der Lastfälle am fertigen Bauteil
Bauteil,
statisch, Impact, Crash
29.06.2010
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
Design Rules
Drapiersimulation
Injektionssimulation
30
Institut für Flugzeugbau
.uni-stuttga
art.de
Crash/Impact - Simulation
Werkstoff - Modellierung
www.
Modellierung der Einzelschichten
a)
Impact und
Interlayer (Delamination)
a) Delamination
b)
29.06.2010
b) Ply Damage
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
31
Fertigungsgerechte Faserverbundbauweise in Automobil Kleinserie
A-Säule:
Preformherstellung in
Flechttechnik
IIntegrale
t
l CFK-FrontCFK F t
Crashstruktur
Fahrgastzelle:
Verbindung aus strukturell
verklebten Einzelelementen.
Einzelelementen
29.06.2010
Türe:
Sandwichbauteil mit integriertem
Seitenaufprallschutz
Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler
Diffusor:
Struktur- und
Aerodynamikbauteil
32
Fokus Volumenfähigkeit?
se
ehr hoch
1 00
1,00
Spritzguss, LF
T-Fließpressen; D-LFT
T-Fließpressen, GMT
Duromer-Fließpressen;
SMC & BMC
S-RIM
T-Prepreg-Pressen
Duromer-RIM, LF
Duromer-Prepreg-Pressen
hoch
Duromer-Faserspritzen
T-Pultrusion
T-RTM
RTM
T-Prepreg-Technologie,
g
Fibreforge
Duromer-Pultrusion
0,68
LRI (VARI)
LRI,
mittel
Volu
umenfähigkeiit
0,84
Spritzguss, Kurzfasern
Duromer-RI, (RFI)
Duromer-Prepreg,
Autoklav-Verfahren
0,52
0,25
mittel
0,50
hoch
0,75
sehr hoch
Technologisches Weiterentwicklungspotenzial
Seite 33
1,00
Fokus Leichtbaupotenzial & Funktionsintegration?
Integrationsgrrad & Leichtb
bauptenzial
se
ehr hoch
mittel
hoch
RTM
S-RIM
LRI, (VARI)
Duromer-Prepreg-Pressen
0,83
T-Prepreg-Technologie,
Fibreforge
Duromer-Prepreg,
Autoklav-Verfahren
T-Prepreg-Pressen
p g
T-RTM
D
Duromer-RI,
RI (RFI)
Duromer-RIM, LF
Duromer-Fließpressen;
SMC & BMC
0,66
T-Pultrusion
Duromer-Pultrusion
Duromer-Faserspritzen
T-Fließpressen; D-LFT
Spritzguss, LF
p g
, Kurzfasern
Spritzguss,
T-Fließpressen, GMT
0,48
0,25
mittel
0,50
hoch
0,75
sehr hoch
Technologisches Weiterentwicklungspotenzial
Seite 34
1,00
Ganzheitliche Betrachtung: übergeordnete Attraktivität?
RTM
seh
hr hoch
S-RIM
p g
T-Prepreg-Pressen
T-RTM
T-Fließpressen; D-LFT
Duromer-RI, (RFI)
Duromer-Fließpressen;
SMC & BMC
0,90
T-Pultrusion
Spritzguss, LF
Spritzguss, Kurzfasern
hoch
T-Prepreg-Technologie,
Fibreforge
LRI, (VARI)
Duromer-Prepreg-Pressen
T-Fließpressen, GMT
Duromer-RIM, LF
Duromer-Prepreg,
Autoklav-Verfahren
Duromer-Faserspritzen
0,80
Duromer-Pultrusion
mittel
Technologie-Attraktiivität
(Vollumen, Leichtbau
ugüte, Kosten, Na
achhaltigkeit, ...)
1,00
0,70
0,25
mittel
0,50
hoch
0,75
sehr hoch
Weiterentwicklungspotenzial
Seite 35
1,00
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