0-WASTE Carbon Composite Sheet Werkstoffe für Automotiv-Strukturbauteile aus neuartiger Presstechnologie
Durch das steigende Umweltbewusstsein der Gesellschaft, einhergehend mit der mittel- bis langfristigen globalen Ressourcenverknappung, sind Ingenieure gefordert Bauteile in einem nachhaltigen Entwicklungsprozess zu konstruieren und zu produzieren. Das Forschungsprojekt addressierte diese Herausforderung mit der Entwicklung einer Design- und Herstellungstechnologie von diskontinuierlich carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Das Ziel war dabei die Reduktion von Carbonfaser-Abfall in der Produktion von Strukturbauteilen im Automotiv-Bereich (hier Getriebequerträger) bei Ausnutzung des vollen Leichtbau-Potentials. Die Bewertung der Recycling-Strategien erfolgte durch eine umfassende, quantitative Ökobilanzierung (Life Cycle Assessment) des Produktlebenszyklusses. Das 0-WASTE Entwicklungskonzept basiert auf einem One-Shot Carbon Fiber Sheet Moulding Compound (C-SMC) Pressverfahren, welches die industrielle Herstellung in automatisierter und kosteneffizienter Weise mit Zykluszeiten von 2 Minuten ermöglicht. Ein spezieller hybrider Schichtaufbau erlaubt die mehrstufige Verwendung von Carbonfaser-Rezyklaten mit variierenden Qualitätsanforderungen. Neumaterial wird anwendungsgerecht nur dort verwendet, wo es wirklich gebraucht wird. So ensteht bei der Produktion praktisch Null Abfall.
Ausgangssituation
Als innovativer Leichtbau-Werkstoff finden Carbon Fiber Sheet Molding Compounds (C-SMC) bereits Einsatz im Luxussegment der Automobilbranche (e.g. Forged Composite® von Lamborghini). Im Gegensatz zu konventionellen carbonfaserverstärkten Kunststoffen können durch den Einsatz von kürzeren Faser-Flakes komplexere Bauteile hergestellt werden. Die Produktion im Pressverfahren ermöglicht zudem eine kostengünstigere Fertigung in kürzerer Zeit. In einer bilateralen Kooperation mit einem namhaften OEM wurde die Fragestellung untersucht, wie man diese Technologie für die Massenanwendung adaptieren kann. Durch die vermehrte Verwendung von Carbonfasern in den verschiedensten Industrien entsteht aber auch immer mehr Abfall. So entstand die 0-WASTE Projektidee die C-SMC Technologie mit einem umfassenden Recyclingkonzept zu kombinieren um hochbelastete Automotive-Bauteile mit praktisch Null Abfall herzustellen.
Projektverlauf
Die Kompetenzen der Industriepartner deckten die gesamte Wertschöpfungskette der Faserverbundherstellung und -Anwendung, vom Materialhersteller (Hexcel) über den Werkzeugmacher (Alpex) und die Verarbeitung (Engel) bis hin zum finalen Produkt, ab. Dieses Industriekonsortium wurde durch die Expertise des Universitätspartners im Bereich der Materialcharakterisierung und Simulation (JKU iPPE unter Leitung von Univ.-Prof. Dr. Zoltán Major) abgerundet. Mithilfe der quantitativen Ökobilanzierung, durchgeführt von a.Univ.-Prof. Dr. Heinz Prammer, wurde die ökologische Nachhaltigkeit des 0-WASTE Konzepts bewertet. Röntgencomputertomographie-Scans (XCT-Scans) der CF-SMC Materialien, durchgeführt durch die CT-Gruppe der FH OÖ in Wels (FH OÖ Forschungs & Entwicklungs GmbH), wurden zum Aufbau und zur Validierung der Simulationsmodelle verwendet. Diese integrative Kombination technologischer und virtueller Entwicklungsmethoden ermöglichte die Entwicklung und Produktion eines praktisch orientierten C-SMC Automotive-Bauteils (hier Getriebequerträger) im Rahmen des 0-WASTE Projekts. Der Getriebequerträger wurde auf verschiedenen Kunden- bzw. Anwenderkonferenzen und renommierten, internationalen Ausstellungen von den Projektpartnern präsentiert (unter anderem auf der Detroit Auto Show und der JEC World in Paris). Das einzigartige, bionische Design und der einstufige Herstellungsprozess von mehreren Materialien und Funktionalitäten (Metallische Inserts, primären sowohl sekundären C-SMC und UD Tape-Materialien) stieß auf großes Interesse.
Meilensteine
- Life Cycle Assessment und Recycling
- Simulation des C-SMC Materialverhaltens
- Simulation des Herstellungsprozesses
- Werkzeugkonzept für industrielle Forschung
- Optimierungszyklen des Werkzeugs
- Finales optimiertes Werkzeug
- Implementierung des Werkzeugs in der Fertigungslinie
- Untersuchung des Material- und Komponentenverhaltens
- Bestimmung der mechanischen Lebensdauer nach OEM-Anforderungen
"We believe that the genius of the future lies not in the technology alone, but in the ability to manage it."
– Zoltán Major –
Ergebnisse
Ein vollautomatisiertes Pressverfahren und ein prozessoptimiertes Werkzeug wurden für die Produktion des Getriebequerträgers erforscht und entwickelt. Mit optimierten Prozessparametern konnten unter Laborbedingungen Zykluszeiten von 135 Sekunden erreicht werden. Mit der Anwendung von Rezyklat-Werkstoffen konnten mindestens gleiche Bauteileigenschaften und sogar punktuelle Verbesserungen im Vergleich zur industriellen Standardversion aus Aluminium erzielt werden. Die Ökobilanz zeigte, dass der C-SMC Getriebequerträger in fast allen Wirkungskategorien geringere potentielle Umweltauswirkungen verursacht als die Aluminium-Variante. Die industrierelevanten Ergebnisse wurden akademisch durch die Simulationsmodelle und Designmethoden des Universitätspartners komplementiert. Ein Multiskalenmodell wurde entwickelt um die durch den Prozess induzierte Mesostruktur zu modellieren und so das Materialverhalten bestimmen zu können. Die Simulationen wurden experimentell sowohl auf Prüfkörper-Level als auch auf Bauteil-Level, inclusive spezieller Modellbauteile, unterstützt. Der Erfolg des 0-WASTE Projekts führte zu einem Nachfolgeprojekt unter Konsortialleitung des Firmenpartners Alpex zur Entwicklung einer Automotive-Batteriewanne aus C-SMC für die Elektromobilität (CAR e-Bo , FFG Nr. 865213). Außerdem sind auf Basis der Ergebnisse vier weitere Anträge für EU-Förderprojekte mit internationalen Partnern eingereicht worden. Kooperationen mit internationalen Forschungszentren wie dem Open Hybrid Labfactory in Wolfsburg, Deutschland, im Bereich der C-SMC Werkstoffe sind am Laufen.
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Univ.-Prof. Dr. Zoltán Major
Seit 2009: Professor und Vorstand des Institute of Polymer Product Engineering an der JKU Linz
– 2003 bis 2008: Universitätsassistent an der Montanuniversität Leoben
– 2003 bis 2009: Senior und Key Researcher am Polymer Competence Center Leoben GmbH
– 1994 bis 2002: Researcher am Joanneum Research in Graz, Universitätsassistent an der Montanuniversität Leoben
DI Philipp Stelzer
– seit 2020: Universitätsassistent am Institute of Polymer Product Engineering, Johannes Kepler Universität Linz, Österreich
– seit 2017: Researcher am Institute of Polymer Product Engineering und Doktoratsstudium an der JKU Linz
– 2016: Abschluss des Master-Studiums „Polymer Technologies and Sciences“ an der JKU Linz
Steckbrief
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Projektnummer858744
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Koordinator
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ProjektleitungZoltán Major, zoltan.major@jku.at
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Partner
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SchlagwörterAdvanced light materials, Carbon fiber composites, Life Cycle Assessment, Recycling
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FörderprogrammEnergieforschungsprogramm
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Dauer02.2017 - 05.2019
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Budget1.081.661 €
