Forschende am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP entwickeln mit Partnern ein neuartiges, sehr leichtes Antriebs- und Seitenwellensystem für Pkw und Lkw, dessen Matrix aus thermoplastischen Materialien besteht. Diese haben einen zusätzlichen Gewichtsvorteil und sind recyclebar.
In Pkw und in Lkw übertragen Antriebswellen die Kraft vom Getriebe auf die Räder und müssen dabei hohe Belastungen aushalten. Daher werden sie meist als mehrteilige Gelenkwellen aus Stahl-, Aluminium oder Titanlegierung hergestellt und sind entsprechend schwer. Als Alternative stehen aktuell Antriebswellen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff mit duroplastischer Matrix zur Verfügung. Sie sind durch ihre geringere Dichte und weniger erforderliche Lagerstellen etwa 60 % leichter als ihre metallischen Pendants und zeichnen sich durch bessere mechanische Eigenschaften aus.
Trotzdem lassen sie sich in punkto Gewicht und Recyclingfähigkeit weiter optimieren. Dieser Aufgabe widmen sich Forschende der Fraunhofer-Projektgruppe „Zentrum für nachhaltige Leichtbautechnologien“ (ZenaLeb), einer Projektgruppe des Forschungsbereichs Polymermaterialien und Composite PYCO am Fraunhofer IAP gemeinsam mit Partnern aus der Industrie. Und zwar wie folgt:
- Im ersten Schritt wollen die Forschenden gewickelte Antriebs- und Seitenwellen mit duroplastischer Matrix optimieren.
- Im zweiten Schritt entwickeln die Forschenden Wellen mit thermoplastischer Matrix.
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert das Vorhaben.
Automated Fiber Placement soll Filament Winding ersetzen
Antriebswellen mit duroplastischer Matrix werden derzeit mittels Filament Winding produziert. Bei diesem Herstellungsverfahren werden mit Harz getränkte Filamente unter Spannung um eine rotierende Achse gewickelt und in einem weiteren Schritt ausgehärtet. Die geplanten thermoplastischen Antriebs- und Seitenwellen hingegen werden mittels Automated-Fiber-Placement-Technologie (AFP) hergestellt. Dabei werden Prepregs, also vorimprägnierte Bänder, die Carbonfasern enthalten, mittels eines Lasers erhitzt und anschließend robotergesteuert und vollautomatisiert auf einer sich drehenden Rotationsachse abgelegt. Eine zusätzliche Aushärtung sei nicht notwendig, heißt es im Forschungsbericht.
Weitere Vorteile der AFP-Technologie:
- Die Bänder können während des Vorgangs abgeschnitten und an anderen Stellen abgelegt werden, wodurch sich neue Winkel, Wickelmuster und Formen erzielen lassen.
- Die Antriebswellen lassen sich also frei umwickeln. Im Gegensatz zum Filament Winding ist man nicht an vorgegebene Wickelmuster gebunden.
Dies führt zu einem besseren Leichtbaugrad gegenüber den aktuellen duroplastischen Bauweisen, wodurch der Kraftstoffverbrauch während der Nutzungsphase laut Berechnungen des Fraunhofer IAP um 0,3 % gesenkt und die CO2-Emissionen für neu zugelassene Pkw und Lkw in Deutschland beträchtlich reduziert werden können.
- Im Vergleich zu stahlbasierten Antriebswellen ist sogar eine Einsparung des Gewichts von mehr als 65 % möglich.
Die Forschenden streben ein Fertigungskonzept für eine großserientaugliche Herstellung der Antriebswellen an.
Integrierte Sensorik sorgt für Überblick über den Antriebswellen-Lebenszyklus
Um die komplette Prozesskette nachverfolgen und so den CO2-Fußabdruck senken zu können, soll der Produktlebenszyklus – von der Herstellung des Grundwerkstoffs bis hin zum Recycling – mithilfe integrierter Sensorik abgebildet und überwacht werden. Hierfür werden faseroptische Sensoren und Dehnungsmessstreifen in die Antriebswellen eingewickelt – auch die Anlagen werden entsprechend ausgerüstet.
Die Prepregs sind bereits mit einem QR-Code versehen, der Auskunft über die verwendete Faser sowie das Matrixsystem gibt, was wiederum entscheidend fürs Recycling ist.
Durch die Integration von Product-Branding-Konzepten und Sensorsystemen lässt sich die Herstellung der neuen Wellen ökologisch bewerten und der erforderliche Energie- und Ressourcenverbrauch ermitteln. Digitalisierungs- und Simulationstools in Form eines digitalen Zwillings unterstützen den Optimierungsprozess sowie die Qualitätssicherung und ermöglichen die Steigerung des Leichtbaugrads. (eve)
