Felgen mit Korsett

Mediendienst / 1.9.2010

Eignen sich Leichtbaumaterialien für höchstbeanspruchte und sicherheitsrelevante Bauteile wie Autofelgen? Tests und Berechnungen zeigen: Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) sind sehr schadenstolerant und bei Fahrzeugrädern Aluminium deutlich überlegen. Einen Prototypen einer Leichtbaufelge haben Forscher bereits gefertigt.

Bild: Felgen mit Korsett
© Foto Fraunhofer LBF

Sind Leichtbaumaterialien für höchstbeanspruchte und sicherheitsrelevante Bauteile wie Autofelgen geeignet? Tests und Berechnungen zeigen: Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) sind sehr schadenstolerant und bei Fahrzeugrädern Aluminium deutlich überlegen. Je nach Länge der Verstärkungsfasern werden Faserkunststoffverbünde in kurz-, lang- und endlosfaserverstärkte Kunststoffe unterschieden. Welches Ausgangsmaterial und welches Fertigungsverfahren das jeweils beste ist, hängt von den Leistungsanforderungen, der Bauteilgeometrie, der zu fertigenden Stückzahl und den Kosten ab. In der Automobilbranche kommt vor allem die Kurzfaservariante zum Einsatz. Sie ist sehr kostengünstig und lässt sich in hohen Stückzahlen in Massenfertigung herstellen. Daraus werden Funktionsbauteile wie Kraftstoffverteiler im Motorraum gefertigt. Im Flugzeugbau hingegen setzen die Ingenieure auf endlosfaserverstärkte Kunststoffe. Ihre Stärke: extreme Leistungsfähigkeit des Materials in höchstbeanspruchten Bauteilen.

Stellen Sie sich vor, Ihr Auto bleibt plötzlich auf einer wenig befahrenen Landstraße liegen. Dabei ist es erst vier Jahre alt. Kein schöner Gedanke. Eine Panne ist teuer. Von der Sicherheitsgefährdung der Insassen ganz abgesehen: Denn Ursache des Defekts waren die vom Autoverkäufer hoch gelobten, extrem leichten Kunststoffräder. Eines davon ist gebrochen. »Solch ein Szenario darf in der Realität natürlich nie passieren«, erklärt Prof. Dr.-Ing. Andreas Büter vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt. Die Experten dort sind auf Betriebsfestigkeitsprüfungen an Kunststoffen im Allgemeinen und im Besonderen an Kunststoffrädern spezialisiert.

Um die Grundlagen für die Fertigung leichter und dennoch sicherer und zuverlässiger Bauteile zu legen, haben sie – in Kooperation mit fünf weiteren Fraunhofer-Instituten – das Projekt »Hochfeste Kunststoffstrukturen« gestartet. »Ziel war es, sowohl die Voraussetzungen als auch die Werkzeuge für eine betriebssichere Auslegung von extrem leichten Sicherheitsbauteilen aus SMC-Material (Sheet Moulding Compound) für die nachhaltige Nutzung in mittleren bis großen Stückzahlen zu ermöglichen. SMC ist ein faserverstärkter Verbundwerkstoff, der hauptsächlich aus anorganischen Bestandteilen besteht«, erläutert Projektleiter Professor Büter. »SMC wurde bisher nur für Sekundärbauteile im Bereich der Verkleidung etwa für Motorhauben und Heckklappen oder Türen verwendet«, erläutert Büter. »Unser Projekt sollte klären, ob sich SMC auch für sicherheitsrelevante Primärbauteile wie Autoräder eignet.« Der Werkstoff SMC ist Metall in mehreren Punkten überlegen: Er ist nicht nur leichter, sondern glänzt auch durch seine gewichtsbezogene Festigkeit. Bei mittleren bis hohen Stückzahlen ist er kostengünstig zu produzieren.

Doch welche Materialeigenschaften haben SMC? Wie sind die Fasern ausgerichtet? Welche Fertigungsverfahren eignen sich zur Verarbeitung? Gibt es Lufteinschlüsse? Welchen Belastungen halten Autoräder aus SMC stand? Diese und weitere Fragen haben die Forscher untersucht. »Auf unseren Prüfständen haben wir zum Beispiel simuliert, wie sich die Räder und Achsen eines Autos auf einer Rüttelstrecke, beim Geradeaus- oder Rückwärtsfahren verhalten, und wie lange die Bauteile das aushalten«, berichtet Andreas Büter von den Tests am LBF. Nach drei Jahren Forschungsarbeiten können die Wissenschaftler nun die Ergebnisse präsentieren. Eine wichtige Erkenntnis aus dem Projekt: »Richtig verarbeitet, sind faserverstärkte Kunststoffe sehr schadenstolerant und bei Fahrzeugrädern Aluminium deutlich überlegen«, betonte Büter beim Abschluss des Projekts.

Und wie geht es weiter? Die Forscher würden gerne zusammen mit der Industrie ein einsatzfähiges Rad kreieren, das auf dem entwickelten Prototypen basiert und hohen Belastungen standhält. Es soll über eine lokale Endlosfaserverstärkung verfügen. »Das wäre dann so etwas wie ein stützendes Korsett für die Felge«, beschreibt der Projektleiter die Visionen der Forscher. Einen Prototypen einer Leichtbaufelge zeigen die Experten auf der Messe Composites Europe vom 14. bis 16. September in Essen (Halle 12, Stand C33).