Sandwichstrukturen für das Auto von morgen

Das Thema Leichtbau spielt für das Fahrzeug von morgen eine wichtige Rolle: Unge­fähr zwei Drittel des Kraft­stoff­ver­brauchs hängen direkt vom Fahr­zeug­gewicht ab. Forscher des DLR arbeiten im Rahmen des Meta-Projekts „Next Generation Car“ intensiv an neu­artigen Leicht- und Hybrid­bau­weisen und setzen dabei beispiels­weise auf Fahr­zeug­konzepte in Sand­wich­bau­weise. Im Forschungs­projekt PuVerSand entwickeln die Forscher mit Partnern aus Wissen­schaft und Industrie die dazu benötigten Füge­konzepte.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Vollstahlkarosserie werden bei der Sand­wich­bauweise hybride Werk­stoffe verwendet. Diese setzen sich aus zwei unter­schied­lichen Materialien zusammen, die unter­schied­liche Eigen­schaften aufweisen. Eine feste, steife Deck­lage nimmt die auf das Fahr­zeug wirkenden Kräfte auf. Dazwischen befindet sich ein sehr leichter Kern, zum Beispiel aus Schaum­stoffen oder einer Waben­struktur. Dieser spezielle Auf­bau macht die Struk­turen bei geringem Gewicht sehr biege- und beul­steif. Bei einem Crash nehmen sie sehr viel Energie auf, was sich vor­teil­haft auf die Sicher­heit der Karosserie und damit der Fahr­zeug­insassen aus­wirkt.

Noch gibt es in der Automobilindustrie keine Serienfahrzeuge, in denen tragende Struk­turen in Sand­wich­bau­weise zum Einsatz kommen. Um das Leicht­bau­potenzial von Sand­wich­mate­rialien in Zukunft besser nutzen und für die indus­trielle Serien­pro­duktion erschließen zu können, werden im Projekt PuVerSand geeignete Füge­konzepte erforscht. Ziel ist es, punkt­förmige und lös­bare Verbindungs­techniken zu entwickeln, sowie die damit zusammen­hängenden Prozesse von der Auslegung bis zur Fertigung zu optimieren.

„Da sich die Eigenschaften von Decklage und Kern bei Sand­wich­werk­stoffen sehr stark unter­schieden, ist es schwieriger, Teile zusammen­zufügen oder etwas an ihnen anzu­bringen“, sagt DLR-Wissen­schaftlerin Carmen Scholz. Bisher greift man oft auf Kleben als Füge­ver­fahren zurück, um Sand­wich­platten mitein­ander zu verbinden. Das hat aller­dings den Nachteil, dass der Kleb­stoff bis zu einer Woche benötigt, um voll­ständig aus­zu­härten. Außer­dem lassen sich geklebte Teile oft nicht mehr lösen, wenn man Kompo­nenten aus­tauschen oder repa­rieren möchte. Alter­nativ können auch massive Schienen oder Inserts verwendet werden, in die dann Schrauben einge­bracht werden. Diese Füge­methoden erhöhen aller­dings das Gewicht der eigentlich sehr leichten Sand­wich­struktur wieder deutlich. Zudem müssen sie oft schon bei der Herstellung der Sand­wich­platten einge­bracht werden. „Der Konstrukteur muss sich also bereits von Beginn an fest­legen, wo Füge­stellen liegen sollen, was die Flexi­bilität des Prozesses stark ein­schränkt“, so Scholz.

Punktförmige Verbindungen haben im Vergleich dazu gleich mehrere Vorteile: Sie sind flexibler und stabiler, weil sie in Deck­lage und Kern der Sand­wich­struktur einge­bracht werden. Die auf die Verbindung wirkenden Kräfte verteilen sich so auf einen größeren Bereich. Außerdem sind diese Verbin­dungen schneller und auf einer kleineren Fläche an­bring­bar, was den Produktions­prozess beschleunigt, sowie zum größten Teil wieder lösbar, wenn sie nicht zusätz­lich geklebt wurden.

Im Fokus der Forschungsarbeiten stehen drei grundlegend unter­schiedliche Verbindungs­elemente: Reib­schweiß­elemente, die mit Hilfe hoher Reibung durch die Deck­lage dringen und mit dem Kern­material ver­schmelzen, spezielle Kunst­stoff­schrauben sowie geklemmte und geklebte Inserts. „Um Füge­prozesse zu opti­mieren, unter­suchen wir außerdem, welche Verbindungs­festig­keit für welches Sand­wich­material erreicht werden kann – und testen konkret in Versuchen, wo die Belastungs­grenzen liegen“, erläutert Carmen Scholz weiter. „So wollen wir heraus­finden, welches Füge­ver­fahren, abhängig von Material­eigen­schaften und Anwendung, am besten für die flexible Fertigung von morgen geeignet ist.“

DLR / RK