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Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen

Wissenschaftstag – Potentiale der Hybridbauweisen DLR, Braunschweig, 2. Oktober 2014 Dr.-Ing. Christian Hühne Abteilungsleiter Funktionsleichtbau

Quelle: Airbus

Anforderungen

‌Funktionsleichtbau Struktur als Optimum aus Gewicht und Funktionen des Bauteils ‌Stoffleichtbau Werkstoff mit guten spezifischen Eigenschaften ‌Integrationsleichtbau Optimal gefertigte integrale Struktur in Bezug auf Kosten und Fertigungsaufwand

Arten des Leichtbaus

Funktions- Leichtbau

Stoff- Leichtbau

Form- Leichtbau

*) Source: Mercedes

*

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Integrations- Leichtbau

Funktionsleichtbau: Vom Material zum Produkt

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Material

Produkt

Entwurf

Material: Faserverstärkte Kunststoffe

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Natur- Faser

Glas- Faser

C- Faser

Material

Produkt

Entwurf

Slide 5

Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen

Material

Produkt

Entwurf

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Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen

Material Modifikation

Materialgerechter Entwurf

Strukturintegrierte Komponenten

Material

Produkt

Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen

Hybrid- Laminarisierung

Materialgerechter Entwurf

Strukturintegrierte Komponenten

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‌Ziele des Multi-Material Fahrzeugkonzeptes:

- Gewichtsreduktion - Erhöhung der Sicherheit - Innovative Modularisierungs-

Strategien

Konzeptauto “Neue Fahrzeugstrukturen (NFS)”

Brennstoffzelle

Freikolben-Lineargenerator

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DLR – Project NFS Institute FK, FA, BT

‌Mechanisches Wirkprinzip des Spantes beim Seitencrash:

- Integerer B-Säulenbereich - Fließgelenk im Dachholmbereich - Energieabsorption im Unterboden

B-Säule aus CFK

DLR – Project NFS Institute FK, FA, BT

Bodenquerträger mit Crash-Element : Minimale Verformung im Spant bei maximaler Energieaufnahme in den Crashelementen

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‌Funktionsprinzip CFK-Ringspant: - Gelenk am Dachholm - Crash-Koni im Bodenbereich - B-Spant

B-Säule aus CFK

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‌Funktionsprinzip CFK-Ringspant:

B-Säule aus CFK

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Außenschale

Innenschale

Omega-Versteifung

Crash-Test NCAP

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Crash-Test IIHS

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Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen

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Hybrid- Laminarisierung

Materialgerechter Entwurf

Strukturintegrierte Komponenten

‌

- Rumpf-Panel als asym- metrischer Sandwich

- Aluminium-Außenhaut zur Impact-Detektion

- Sandwich-Bauweise verbessert Beulstabilität

- Längs-Versteifungen (Longerons) sind in den Sandwich integriert (keine Mouse-Holes in den Spanten)

Hybride Laminate vs. Hybride Strukturen Ähnliche Herausforderungen andere Einsatzgebiete

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Longerons als Hybrid-Laminat

mit Schaum-Kern

‌‘Bürgernahes Flugzeug’

Herausforderungen in hybriden Laminaten

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Anbindung

Eigenspannungen

Korrosion

Kosteneffiziente Fertigung

NDI Methoden

Herausforderungen in hybriden Laminaten

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Anbindung

Eigenspannungen

Korrosion

Kosteneffiziente Fertigung

NDI Methoden

Multimaterial-Team der Abteilung Funktionsleichtbau

Herausforderungen in hybriden Laminaten Die Anbindung – Voruntersuchungen im Labormaßstab

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Herausforderungen in hybriden Laminaten Die Anbindung – Realisierung einer Vakuumsaugstrahlanlage

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Herausforderungen in hybriden Laminaten Thermische Residualspannungen

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Thermoelastisches Verhalten (thermische Ausdehung von Faser, WZ und Metalllagen)

Viskoelastische Eigenschaften (Matrix während der Aushärtung)

Elastische Eigenschaften (Mechanische Interaktion)

WZ oder Metalleinzellage

∆𝐿 = 𝐿0 𝛼 ∆𝑇

Verhalten während der Laminataushärtung

Herausforderungen in hybriden Laminaten Thermische Residualspannungen: Einflussmöglichkeiten

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Prozess-modifikation

Material-modifikation

Konstruktive Modifikation

Veränderung der Eigenspannungen

Herausforderungen in hybriden Laminaten Thermische Residualspannungen

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Referenz

Druck-änderung

Temp-änderung

- Eigenspannungsniveau beispielhaft bei unterschiedlichen Maßnahmen

- Zwei verschiedene Ansätze zur Ermittlung der Eigenspannungen

Konstruktive Maßnahme

Eigenspannungen in intrinsischen Hybridverbunden – Ermittlung, Modifikation und Berücksichtigung in der Fertigung und der numerischen Schadensmodellierung „Intrinsische Hybridverbunde – Grundlagen der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung“ (SPP 1712)

Herausforderungen in hybriden Laminaten Dauerhaltbarkeit

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Motivation: - Betriebssicherheit - Kostenwirksamkeit

Problemstellung:

- Harzmatrix kann die Feuchtigkeit absorbieren

- Kohlenstofffasern sind elektrisch leitfähig

- Metall und CFK in Kontakt

‌Zwischenfazit: - Anforderungen zur Entstehung eines

galvanischen Elementes erfüllt - Potentialdifferenz (CFK/Stahl)

beträgt 160 mV vs. Ag/AgCl

‌Ziele: - Auftretende Korrosion an der

CFK/Metall-Schnittstelle erfassen - Veränderungen der mechanischen

Eigenschaften prognostizierbar machen ‌Versuchsumfang:

- Elektrochemische Verfahren - Alterungstests im Klimakammer - Mechanische Prüfungen - Analytisches Modell

‌Ergebnisse: - Quantitative Aussage zur Entstehung

eines galvanischen Elementes - Detaillierte Auswertung der

Korrosionsanfälligkeit (in Arbeit) - Bestimmung der Korrosionsform

Herausforderungen in hybriden Laminaten Dauerhaltbarkeit

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‌TRoPHy I (OHLF Vorphase 15.3.2013 – 14.03.2014) ‌Thermoplastische Rollgeformte Profile in Hybridbauweise I

Effiziente Herstellung mittels Rollprofilierung in der Open Hybrid LabFactory

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‌Ergebnisse aus TRoPHy I: Lastenheft für Anforderungen an

die Zielbauteile erstellt Kombination aus elektrolytisch

verzinktem Feinblech mit KSP und faserverstärktem PA6 als geeignet identifiziert

Identifikation und Auswahl eines Rollform-Fertigungsprozesses

Mögliches Gewichtseinsparpotenzial bei nicht optimiertem Hybridwerkstoff: 23% bzw. 34% für die beiden potenziellen Bauteile

Entwicklung einer prototypischen Rollformanlage

FE-Simulation des Umformprozesses

‌TRoPHy I (OHLF Vorphase 15.3.2013 – 14.03.2014) ‌Thermoplastische Rollgeformte Profile in Hybridbauweise I

Effiziente Herstellung mittels Rollprofilierung in der Open Hybrid LabFactory

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‌Ergebnisse aus TRoPHy I: Lastenheft für Anforderungen an

die Zielbauteile erstellt Kombination aus elektrolytisch

verzinktem Feinblech mit KSP und faserverstärktem PA6 als geeignet identifiziert

Identifikation und Auswahl eines Rollform-Fertigungsprozesses

Mögliches Gewichtseinsparpotenzial bei nicht optimiertem Hybridwerkstoff: 23% bzw. 34% für die beiden potenziellen Bauteile

Entwicklung einer prototypischen Rollformanlage

FE-Simulation des Umformprozesses

Einsatzgebiet: Lokale Metall-Hybridisierung Konzept

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‌Idee: - Lokale Nutzung der Metall-Plastizität

zur Erhöhung der Lochleibungsfestigkeit

- Spezifische Eigenschaften des CFK-Materials bleiben erhalten

‌Umsetzung:

- Lagen werden nur lokal substituiert - Metalllagen mit gleicher Dicke

wie CFK-Lagen - Transitions-Zone von der hybriden zur

monolithischen CFK-Struktur

‌Vorteile: - Volumen bleibt konstant - Keine Exzentrizitäten und

Sekundär-Biegemomente

Verbesserte Intersegment-Verbindung:

- Konstante Dicke durch erhöhte Lochleibungsfestigkeit (an Stelle der Aufdickung)

- Gewichtseinsparung durch kürzere Bolzen

- Keine Biegemomente durch Exzentrizitäten

- Bolzenreihe eingespart

- Reduzierte Überlappungslänge Re-Design führt zu enormen Gewichtseinsparungen!

Einsatzgebiet: Lokale Metall-Hybridisierung Anwendung ISJ Ariane 5 Booster

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Referenz (MT Aerospace)

Verbesserter Entwurf (DLR)

Einsatzgebiet: CFK-UD-Stahllaminate Die Motivation

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Quasi-isotropic-laminate

UD-laminate UD-laminate + steel foil

stiff

ness

da

mag

e re

sist

ance

Einsatzgebiet: CFK-UD-Stahllaminate Der verfolgte Ansatz

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steel foil 1.4310 CRES (0.05 mm

and thinner)

CFRP-prepreg HexPly® 8552/AS4 (0.13 mm)

MRCC for monolithic components

CFK-UD-Stahllaminate Ergebnisse

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specific compression strength of the hybrid laminate is approx. 14 % higher than strength of CFRP-(62.5/25/12.5)

specific compression modulus of the hybrid laminate is increased by approx. 13 % compared to CFRP-(62.5/25/12.5)

Bei 30 J Impact versagt das CFK-UD-Laminat vollständig, während die anderen beiden Laminate eine vergleichbare Druckrestfestigkeit zeigen

D. Stefaniak and E. Kappel and B. Kolesnikov and C. Hühne Improving the mechanical performance of unidirectional CFRP by metal-hybridization

ECCM15 - 15th European Conference on Composite Materials, Venice, Italy, 2012

Plastizität Flachproben

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‌Motivation: ‌Pfahlcrash einer Faserverbundkarosserie ‌Problem: ‌Vermindertes Energieaufnahmevermögen von CFK bei Biegebeanspruchung ‌Innovation: ‌Mehrschichtiges hybrides Verbundmaterial ‌Untersuchung: ‌Spezifische Energieaufnahme und Maximalkraft unter Biegebeanspruchung ‌Potentiale des hybriden Verbundmaterials:

- Spezifische Energieaufnahme +50% gegenüber CFK

- Spezifische Maximalkraft Vergleichbar zu CFK

Plastizität Rohrproben

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‌Innovation: ‌Herstellung geschlossener Profile Stahl-CFK-Mehrschichtverbund ‌Versuchsumfang:

- Quasi-statische Tests - Hochdynamische Tests am Fallwerk

(8m/s) ‌Untersuchte Einflussparameter:

- Orientierung der Einzellagen - Halbzeugart (UD vs. Gewebe) - Metallgehalt

Ergebnisse:

- Detaillierte Auswertung gegenwärtig in Arbeit

- Einflussparameter lassen keine pauschale Aussage zu

Video

Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen

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Hybrid- Laminarisierung

Materialgerechter Entwurf

Strukturintegrierte Komponenten

‌Mit steigendem Informationsaustausch im Straßenverkehr wächst die Nachfrage an kabellosen Kommunikationskanälen und den dazugehörigen Antennenstrukturen ‌Die Antenne wird in die Struktur integriert um eine optimale Positionierung und eine verbesserte Abstrahlcharakteristik zu erzeugen ‌Aktuelle Antenne ist 9 cm hoch, der Bauraum soll weiter vermindert werden ‌Durch die Integration der Antenne in die Fahrzeugstruktur lassen sich Aufbauten vermeiden, welche die Aerodynamik des Fahrzeuges beeinflussen. ‌Weiterhin vermindert sich der Installationsaufwand bei der Montage.

Strukturintegriertes Antennendesign Car-to-X Kommunikation (C2X)

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Kreuzung Rebenring - Hagenring [AUM-MUW]

‌Sandwichbauweise mit reduzierter Bauhöhe und redundanten Antennen-Design ‌Montage auf einem VW T5 ‌Institut für Verkehrssystemtechnik stellt Messtechnik und Infrastruktur. ‌Die Realerprobung findet auf dem DLR Gelände und auf dem Braunschweiger Ring statt.

Antennen-Design in der Realerprobung

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Messung und Auswertung von Latenzen, Paketverlustraten und Paketgrößen mit einem mobilen Fahrzeugmessaufbau inkl. DGPS-Sensorik sowie einer Labor-Lichtsignalanlage auf Basis 802.11p (Automotive-WLAN)

Erprobung auf dem DLR-Gelände

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Validierung der Antenne – Braunschweiger Ring

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‌Die Antenne wurde erfolgreich vermessen und getestet: − Die Ergebnisse der integrierten Antenne

sind vergleichbar gut wie die, einer kommerziell verfügbaren Antenne

‌Durch eine gezielte Weiterentwicklung können funktionsintegrierte Karosseriebauteile identifiziert werden, in dass das Antennendesign für die Car2X Kommunikation integriert werden kann: − Mögliche Bauteile sind Schiebedach,

Motorhaube oder das komplette Fahrzeugdach

Fazit Realerprobung

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Funktionsleichtbau in Hochleistungsstrukturen

Material Modifikation

Materialgerechter Entwurf

Strukturintegrierte Komponenten

Material

Produkt

Dr.-Ing. Christian Hühne Abteilungsleiter Funktionsleichtbau

DLR Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Lilienthalplatz 7 38108 Braunschweig Telefon: 0531 295 2310 Email: christian.huehne@dlr.de

Vielen Dank!