Mit Haihaut-Oberflächen gegen den Luftwiderstand

Im Rahmen der ADAC GT Masters setzt das Team Callaway eine 600 PS starke Corvette C7 GT3-R mit 6,2-Liter-V8-Motor ein. An dieser Corvette wurde der Heckflügel in einer dreidimensionalen Sandwich-Bauweise hergestellt und in ausgewählten Bereichen mit einer bionischen Oberflächenstruktur nach dem Vorbild des Mako-Hais versehen. (Bildquelle: Frimo)

Das Kooperationsprojekt Street Shark, welches Frimo, Lotte, initiierte, brachte in unterschiedlichen Entwicklungsstufen die Struktur einer Haifischhaut auf komplexe Sandwich-Bauteile auf. Die jüngste Version, der Street Shark 4.0, ist ein Heckflügel für eine Corvette. Kooperationspartner auf der Automobilseite ist die Callaway Competition, ein Unternehmen, das sich auf Karosseriefertigungen, Fahrzeugreparaturen und Rennumbauten spezialisiert hat. Im Rahmen der ADAC GT Masters setzt das Team Callaway eine 600 PS starke Corvette C7 GT3-R mit 6,2-Liter-V8-Motor ein. An dieser Corvette wird der Heckflügel in einer dreidimensionalen Sandwich-Bauweise hergestellt und in ausgewählten Bereichen mit einer bionischen Oberflächenstruktur nach dem Vorbild des Mako-Hais versehen. Ein wichtiger Kooperationspartner in diesem Projekt ist die Firma Eschmann Textures aus Gummersbach.

Mit Haihaut-Oberflächen gegen den Luftwiderstand

Neben Werkzeug und Formenträger steht im Techcenter des Unternehmens eine für Matrixmaterialien ausgelegte PUR-E-Mix-Dosieranlage zur Verfügung. (Bildquelle: Frimo)

Ohne Umwege über Platten zum dreidimensionalen Multisandwich

Im Rahmen der Weiterentwicklung suchten die Beteiligten als Demonstrator-Bauteil im Unterschied zu den bisherigen eher flächigen Teilen eine vergleichsweise komplexe dreidimensionale Komponente. Die Entscheidung fiel deshalb auf den Corvette-Heckflügel. Dieser sorgt durch seinen Querschnitt und die daraus resultierenden unterschiedlichen Luftgeschwindigkeiten an Ober- und Unterseite zu einem erhöhten Anpressdruck des Fahrzeugs auf die Straße. Beim Street Shark 4.0 kommt eine gewichtsoptimierte Sandwich-Bauweise zum Einsatz. Im Mittelpunkt steht dabei der Herstellungsprozess für einen dreidimensionalen Schaumkern im Serienmaßstab.

Bislang wurde für die Sandwich-Aufbauten mit verschiedenen Core-Materialien, zum Beispiel mit PET, PP oder PUR-Schäumen sowie Balsa- oder Bambusholz, in Form von Platten oder Tafeln gearbeitet. Derart erzeugte flache Sandwichplatten waren zu Beginn der Entwicklung notwendig und hilfreich, um Ergebnisse an realen Bauteilen zu dokumentieren und auch potenzielle Kunden für das Sandwichprinzip sowie das Fertigungsverfahren zu interessieren und von den Vorteilen zu überzeugen.

Mit Haihaut-Oberflächen gegen den Luftwiderstand

Als Deckschicht lassen sich viele Materialien verwenden, etwa Balsaholz (a), Natur- (b) oder Kohlefasern (c). (Bildquelle: Frimo)

Im Zuge der Weiterentwicklung durch Frimo lassen sich nun mittels Formschäumen direkt komplexere dreidimensionale Sandwich-Strukturen aus Polyurethan erzeugen. Dazu wurde ein Versuchswerkzeug aufgelegt, in dem zunächst der dreidimensionale Kern aus hartem PUR-Schaum entsteht. Neben Werkzeug und Formenträger steht im Techcenter des Unternehmens eine für Matrixmaterialien ausgelegte PUR-E-Mix-Dosieranlage zur Verfügung. Bereits bei der Herstellung des leichten Kerns lassen sich weitere Funktionen integrieren, zum Beispiel Befestigungspunkte oder elektronische Elemente.

Danach werden in einem Hochdruck-RTM-Verfahren aus einer Faserstruktur und einem PUR-Matrixsystem die Außenhäute erzeugt. In ein RTM-Werkzeug wird dazu zunächst die untere Decklage des Vorformlings aus Verstärkungsfasern, wahlweise Carbon, Glas oder Naturfasern, eingelegt. Anschließend wird der formgeschäumte Kern und zum Schluss die obere Faserdecklage hinzugefügt. Danach wird das RTM-Werkzeug geschlossen und ein niedrigviskoses PUR-Matrixsystem eingebracht.

Mit Haihaut-Oberflächen gegen den Luftwiderstand

Als Deckschicht lassen sich viele Materialien verwenden, etwa Balsaholz (a), Natur- (b) oder Kohlefasern (c). (Bildquelle: Frimo)

Die niedrige Viskosität des PUR-Systems ermöglicht einen raschen Eintrag in das Werkzeug und durch die Sprungreaktion (Snap Cure) lassen sich der Beginn und die Dauer des Aushärtevorgangs zeitlich präzise einstellen. Der Prozess weist mit einer maximalen Reaktionstemperatur von deutlich unter 100 °C eine geringe Exothermie auf. Dennoch ist das Material mit einer Glasübergangstemperatur (TG) von über 200 °C durchaus für die Oberflächenbeschichtung in Kathodische-Tauchlackierungs-Anlagen (KTL) geeignet. Das Konzept ist für bestimmte Anwendungen im Großserieneinsatz wesentlich wirtschaftlicher und robuster als klassische Matrixmaterialien. Durch die niedrigen Werkzeugtemperaturen unter 100 °C und die geringen Werkzeug-Innendrücke ist das System bei vergleichsweise geringen Kosten somit auch für das Herstellen von Sandwich-Bauteilen geeignet, denn das Verfahren schädigt den Schaumkern nicht. Da nur niedrige Schließkräfte des Werkzeuges nötig sind, kann zudem mit keramischen Werkzeugeinsätzen gearbeitet werden. Anders als bei den meisten Verfahren können auf diese Weise auch komplexere und großvolumige dreidimensionale Strukturbauteile direkt in der gewünschten Geometrie gefertigt werden.

Das Equipment Im Techcenter von Frimo ist darauf ausgelegt, Bauteile bis ca. 700 x 800 mm abzumustern. Größere Anlagen befinden sich derzeit in der Entwicklung und teilweise bereits im Bau, beispielsweise eine Anlage für Bauteilgrößen bis zu 2 x 2 m, die in Kürze bei einem bekannten Forschungsinstitut installiert wird. Dort können dann auch entsprechend größere dreidimensionale Bauteile beispielsweise für Versuche, Prototypen, Pilotprojekte – wie der Heckflügel des Street Shark 4.0 – oder Vorserien hergestellt werden.

Mit Haihaut-Oberflächen gegen den Luftwiderstand

Als Deckschicht lassen sich viele Materialien verwenden, etwa Balsaholz (a), Natur- (b) oder Kohlefasern (c). (Bildquelle: Frimo)

Dekor- und Funktionsoberflächen in Sandwich-Leichtbauweise

Für die Übertragung der bionischen Oberfläche auf das Sandwich-Bauteil wurde vom Kooperationspartner Eschmann Textures zunächst eine Negativ-Abformung einer echten Haihaut erstellt. Diese wird dann nach mehreren Optimierungsschritten auf die Oberfläche der unteren Werkzeughälfte übertragen. Mittels Inmold Coating (IMC) gelangt die Struktur dann schließlich auf das Street-Shark-Bauteil.

Auch selbstheilende Oberflächen sind möglich und wurden bereits im Rahmen des Vorgängerprojektes Street Shark 3.0 anhand von Interiur-Zierleisten und Spiegel-Gehäusen mit einem weiteren Kooperationspartner vorgestellt. Die niedrige Verarbeitungsviskosität des Puroclear-Werkstoffs, einem Polyurethan-Material aus dem Hause Rühl Puromer, Friedrichsdorf, welches zudem farbgebende und selbsttrennend ist, ermöglicht es, diesen Designansatz aus der Natur zu übernehmen.

Haie als bionische Vorbilder: Street Shark 1.0 bis 4.0

Im Rahmen des Street-Shark-Projektes gelang es, eine bionische Fahrzeugoberfläche herzustellen, die den Strömungswiderstand verringert. Wie der Name verrät, diente die Haut eines Hais als Vorbild, um die Aerodynamik zu verbessern – ein Bereich, in dem insbesondere Autobauer stetig nach Verbesserungen suchen. Die zahnförmigen Plättchen auf seiner Haut verringern den Strömungswiderstand. Das wiesen Windkanaltests nach. Während die ersten Haifischhaut-Strukturen mittels spezieller Folien auf Trägerteile aufgebracht wurden, ist es nun möglich, mit neuen Polyurethan-Matrixmaterialien und darauf abgestimmter Werkzeuge und Anlagen filigrane Strukturen auf die Oberflächen von Leichtbaukomponenten aufzubringen.

Bei den ersten Versionen des Street Shark wurden ein Dachmodul eines BMW Z4 (Street Shark 1.0), Motorhaube und Frontschürze eines Alzen-Porsche 911 Mission 400 (Street Shark 2.0) sowie ein Hardtop eines BMW Z4 Cabrio (Street Shark 3.0) mit Haihautoberflächen ausgestattet. Dabei wurde von Version zu Version die Oberflächenstruktur optimiert – im Wesentlichen wurden die Zähne auf der Haut vergrößert – und in Windkanalversuchen geprüft und deren Luftwiderstand-hemmende Wirkung bestätigt. Auch Designelemente wie Interieur-Zierleisten und Spiegelgehäuse wurden beim Street Shark 3.0 mit der Haihautstruktur und zusätzlich einem selbstheilenden Effekt versehen. Seit der Erstpräsentation wurden zahlreiche weitere Versuche und Weiterentwicklungen mit Interessenten aus unterschiedlichen Industriezweigen getätigt, zum Beispiel aus den Bereichen Windenergie und Sport- und Freizeitindustrie, die sich derzeit im Prototypen und Vorserienstadium befinden.

Die optimierte Corvette wird in diesem Jahr auch ein Highlight auf dem Eschmann-Stand (Halle 8B/A24) auf der K-Messe in Düsseldorf sein.

Über den Autor

Karl-Heinz Stelzl

ist Mitarbeiter der Technologieentwicklung von Frimo, Lotte.