Querlenker aus FVK mit integrierten Structural-Health-Monitoring-System

Prototyp des Leichtbauquerlenkers aus Faserverbund (Quelle: LBF)

Der Leichtbau spielt in vielen Branchen eine sehr wichtige Rolle. Gerade in der Automobilindustrie, aufgrund der aufstrebenden Elektromobilität und der gesetzlich vorgeschriebenen CO2-Abgasemissionen für Neufahrzeuge, steigt der Bedarf nach immer leichteren und steiferen Bauteilen, um den Verbrauch beziehungsweise die Masse des Fahrzeugs zu reduzieren. Neben den klassischen Interieur- und Exterieur-Komponenten, die durch Kunststoffbauteile substituiert werden, rücken hochbelastete Fahrwerkskomponenten in den Fokus der Automobilisten. Dabei kommen häufig Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz, die in der Auslegung durch das anisotrope Materialverhalten der Fasern die Konstrukteure vor große Herausforderungen stellen. Der betriebsfeste und funktionsintegrierte Leichtbau spielt bei der Realisierung dieser Ziele eine wichtige Rolle. Im funktionsintegrierten Leichtbau werden mehrere Einzelteile zu einem Bauteil zusammengefasst und mehrere passive, aktive oder optische Sensoren im Bauteil integriert. Dadurch steigt die Komplexität der funktionsinte-grierten Bauteile mit der Anzahl der zu inte-grierenden Einzelteile und Sensoren. Dagegen sinken am Gesamtsystem der Fertigungsaufwand, die Kosten und das Gewicht.

Konzept für die Serienfertigung

Das Hauptaugenmerk bei der Konzeptfindung waren die Eignung zur Fertigung im Serienprozess, eine deutliche Gewichtsreduktion gegenüber dem Serienquerlenker und die Kompatibilität zu Serienanbauteilen des Fahrzeugs. Zur mechanischen Auslegung des Querlenkers werden realitätsnahe Lasten benötigt. Hierfür wurden Lastkollektive herangezogen, die mit einem Messrad an einem vergleichbaren Fahrzeug unter realen Einsatzbedingungen aufgezeichnet und ausgewertet worden sind. Daraus konnten die Entwickler kritische Fahrmanöver ableiten und in der Auslegung berücksichtigen.

Querlenker aus FVK mit integrierten Structural-Health-Monitoring-System

Verlauf der optischen Faser
und die Lage der Messstellen in der Faserverbundstruktur. (Bild: LBF)

Der Entwicklungsprozesses erforderte mehrere Iterationsschleifen, wobei die Aluminiumbauteile, die Laminatgeometrie und der Laminataufbau sukzessive weiterentwickelt, angepasst und optimiert wurden. Bei jedem Iterationsschritt kamen Finite Elemente Methoden zur Anwendung, um die Auslastungen der Bauteile abschätzen zu können.
Um die Kompatibilität des Quer-lenkers an die Serienbauteile und die sichere Lastein- und Lastausleitung zu gewährleisten, wird an diesen Stellen auf Aluminiumbauteile zurückgegriffen. Die Aluminiumbauteile werden durch zweischnittige Bolzenverbindungen mit dem Laminataufbau verbunden. Schlaufen aus Kohlenstofffasern werden bei der Herstellung des Querlenkers um die Bolzen geführt, um die Lasten in die Faserverbundstruktur zu leiten.
Unter der Vorgabe von isotropem Materialverhalten, der abgeleiteten Geometrie des Serienquerlenkers und der umgerechneten Querlenkerbelastungen ließ sich die Topologie optimieren. Hierdurch konnten die hochbelasteten Bereiche sogenannte Lastpfade des Querlenkers identifiziert und unter Berücksichtigung der Fasereigenschaften in die Gestaltung des Leichtbauquerlenkers eingebunden werden. Demnach verlaufen die UD-Fasern, die um die Bolzen geführt werden, entlang der identifizierten Lastpfade und übertragen die Lasten innerhalb der Faserverbundstruktur. Die Dicken der UD-Fasern sind an die lokalen Beanspruchungen angepasst und variieren in den drei festgelegten Verstärkungsbereichen.
Um die Fasern vor dem Knicken zu schützen und um Schubspannungen zu übertragen sind die Kohlenstofffasern in einem Laminat integriert. Sie sind im Laminat zwischen Gewebeschichten angeordnet, damit die interlaminaren Schubspannungen die betriebsfesten Materialgrenzen nicht überschreiten. Das Laminat ohne die Verstärkungsfasern ist quasiisotrop und symmetrisch aufgebaut, um Verdrillungen des Laminats beim Aushärten zu vermeiden. Im Hinblick auf die Serientauglichkeit ist die Geometrie des Faserverbundes flächig ausgeführt und kann im Resin-Transfer-Moulding Verfahren (RTM-Verfahren) oder durch Umspritzung eines thermoplastischen Organoblechs serientauglich als Massenprodukt hergestellt werden.
Structural-Health-Monitoring System

Querlenker aus FVK mit integrierten Structural-Health-Monitoring-System

Stecker zum Anschluss eines Interrogators an die optische Faser. (Bild: LBF)

Das Structural-Health-Monitoring System soll die Faserverbundstruktur im Einsatz an kritischen Stellen in Echtzeit überwachen und den Benutzer warnen, wenn die Auslastungsgrenzen des Querlenkers erreicht sind. Zur Messung der Dehnungen kommen Faser-Bragg-Gitter Sensoren (FBG-Sensoren) zum Einsatz, die zu den optischen Sensoren zählen. Die Messung der lokalen Dehnungen kann theoretisch an jeder Stelle der Faser erfolgen. Dazu müssen Reflexionsgitter sogenannte Faser-Brag-Gitter an den Messstellen der Faser angebracht werden. Der Gitterabstand des Gitters definiert, welche Wellenlänge des eingeleiteten breitbandigen Lichts an der jeweiligen Messstelle reflektiert wird. Die Lichteinleitung in die optische Faser und das Erfassen des reflektierten Lichts übernimmt ein sogenannter Interrogator, der an einen Anschlussstecker angeschlossen wird.
Die Dehnung an der Messstelle kann durch die Phasenverschiebung der reflektierten Wellenlänge des Lichts gemessen werden, weil der Gitterabstand bei Belastung der Faser verändert wird. Durch die Variation der Gitterabstände können weitere Messstellen in der Faser realisiert werden, die weitere Wellenlängen des Lichts reflektieren. Die Anzahl der Messstellen ist davon abhängig, welchen Spektralbereich der Interrogator messen kann. Insgesamt wurden im Querlenker acht Messstellen definiert. Der Großteil der Messstellen befindet sich in der Nähe der Schlaufenanschlüsse, da dort die lasttragenden unidirektionalen Faserstränge am höchsten belastet werden.
Die Warnung des Fahrers erfolgt nach Überschreitung eines zuvor festgelegten Schwellwertes. Dies kann eine Dehnungsüberschreitung sein, die nach einem Ereignis wie Unfall oder kritischen Fahrmanöver auftritt. Als weiterer Schwellwert kann auch ein Steifigkeitsabfall der Faserverbund Struktur sein, der aufgrund der Materialermüdung auftreten kann. Die Struktur wird an allen Messstellen in Echtzeit überwacht. Bei Überschreitung dieser Grenzen kann dies dem Fahrer signalisiert werden, damit dieser eine Werkstatt aufsuchen kann, um den Querlenker überprüfen zu lassen.

Herstellung im Handlaminierverfahren

Der Querlenker wird im institutseigenen Laminierlabor im Handlaminierverfahren prototypisch hergestellt. Dabei wird eine Laminierform verwendet, die dem Negativ des Querlenkers entspricht. Weiterhin sind Taschen zum Einlegen der Aluminiumteile und Auslaufflächen in der Laminierform angebracht. Die Auslaufflächen sollen den Aufwand beim Zuschneiden der Gewebelagen reduzieren und das Legen des Laminats erleichtern.

Querlenker aus FVK mit integrierten Structural-Health-Monitoring-System

CAD-Modell des Querlenkers in der Laminierform. (Bild: LBF)

Der Herstellprozess beginnt nachdem die Laminierform versiegelt und mit Trennmittel behandelt worden ist. Die Gewebelagen sollten idealerweise vorgeschnitten sein und bereitliegen, um den Herstellprozess innerhalb der Topfzeit des Harzes abschließen zu können. Das Legen des Laminats erfolgt nach einem Verlegeplan, in dem festgelegt ist, in welcher Reihenfolge die Gewebelagen und unidirektionalen Faserstränge gelegt werden. Abschließend wird das Laminat in der Laminierform in einem Vakuumsack eingepackt und das Vakuum angelegt. Die Nachbearbeitung des Querlenkers erfolgt nach dem vollständigen Aushärten des Laminats.

Voraussetzungen für Serienfertigung geschaffen

Es ist den Wissenschaftlern aus Darmstadt gelungen einen funktionsinte-grierten Leichtbauquerlenker aus Faser-Kunststoff-Verbund zu entwickeln, der eine deutliche Steigerung der Performance aufweist. Im Vergleich zum Serienquerlenker aus Stahlblech ist der Leichtbauquerlenker 35 Prozent leichter und ist durch die flache Geometrie für die Serienherstellung im Resin-Transfer-Moulding Verfahren geeignet.

Querlenker aus FVK mit integrierten Structural-Health-Monitoring-System

Herstellung des Leichtbauquerlenkers. (Bild: LBF)

Zudem konnte ein Structural-Health-Monitoring System zur Überwachung der Faser-Verbund-Struktur integriert werden. Damit lassen sich Schäden frühzeitig ermitteln und anzeigen, die durch Missbrauchslasten oder Materialermüdung hervorgerufen werden. Hierfür müssen Schwellwerte für die Dehnung oder Steifigkeitsabfälle definiert werden, bei deren Überschreitung dem Fahrer angezeigt wird, dass der Querlenker auszufallen droht. Mit diesem System können Wartungsinterwalle dann durchgeführt werden, wenn sie notwendig sind. Derzeit arbeiten die Entwickler an semi-aktiven Systemen, die mit in die Struktur integrierten Aktoren den Körperschall des Querlenkers reduzieren sollen.

Über die Autoren

Paul Töws

ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Betriebsfester und funktionsintegrierter Leichtbau am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt.
paul.toews@lbf.fraunhofer.de

Dominik Spancken

ist Fachteamleiter experimentelle Betriebsfestigkeitsbewertung Kunststoffe, Abteilung Betriebsfester und funktionsintegrierter Leichtbau am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt.
dominik.spancken@lbf.fraunhofer.de

Prof. Dr.–Ing. Andreas Büter

leitet die Abteilung Betriebsfester und funktionsintegrierter Leichtbau am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt.
andreas.bueter@lbf.fraunhofer.de,