Leichtbau optimieren: Antriebswellen aus thermoplastischen Composites

Leichtbau ist für eine nachhaltige Mobilität ein entscheidender Faktor. Ein geringeres Gewicht trägt vor allem dazu bei, klimaschädliche Emissionen zu reduzieren.

Forschende am Fraunhofer IAP optimieren den Leichtbau für das Antriebs- und Seitenwellensystem von Pkw und Lkw. In den Fahrzeugen überträgt das System die Kraft vom Getriebe auf die Räder und muss dabei hohe Belastungen aushalten. Derzeit werden Antriebswellen deshalb als mehrteilige Gelenkwellen aus metallischen Werkstoffen hergestellt und sind relativ schwer.

Eine möglich Alternative sind bereits heute Antriebswellen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit duroplastischer Matrix, die via Filament Winding hergestellt werden. Sie sind etwa 60 Prozent leichter als die metallischen Pendants und haben verbesserte mechanische Eigenschaften.

In der Projektgruppe „Zentrum für nachhaltige Leichtbau-Technologien“ (Zena Leb), einer Projektgruppe des Forschungsbereichs Polymermaterialien und Composite „Pyco“, arbeiten die Forschenden an einer weiteren Optimierung der Antriebswellen. Dazu werden die harzbasierten Composites durch thermoplastische Carbonfaserkunststoffe ersetzt und durch die Automated-Fiber-Placement-Technologie (AFP) können die Wellen frei umwickelt werden. So wird das Leichtbaupotenzial besser ausgeschöpft. Mehr als 65 Prozent weniger an Gewicht im Vergleich zu Stahlwellen werden dadurch möglich.

„Im ersten Schritt wollen wir gewickelte Antriebs- und Seitenwellen mit duroplastischer Matrix optimieren. Im zweiten Schritt entwickeln wir Wellen mit thermoplastischer Matrix. Bei der AFP-Technologie 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 ist nicht notwendig.“
Felix Kuke, Leiter des Zena Leb

Durch das Integrieren faseroptischer Sensorik und das Verwenden von QR-Codes zur Rückverfolgbarkeit des Produktlebenszyklus – von der Herstellung des Grundwerkstoffs bis hin zum Recycling – können der CO2-Fußabdruck reduziert und Recyclingprozesse optimiert werden. Digitalisierungs- und Simulationstools unterstützen den Optimierungsprozess und die Qualitätssicherung.

Bild oben: Am Fraunhofer IAP wird die Automated-Fiber-Placement-Technologie (AFP) eingesetzt, um besonders leichte Antriebswellen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen herzustellen. Dank der thermoplastischen Matrix sind die Bauteile recyclebar. (Quelle: WFBB | Jungblut & Büssemeier)

Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung, Digital Engineering