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Internationale AVK-Tagung

13./14. September 2010

Dr. Hartwig Lohse

Kleben vonVerbundwerkstoffen in der

Fahrzeugtechnik –

Eine Möglichkeit zur Verringerungvon CO2-Emissionen

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Dr. Hartwig Lohse

Kleben von Verbundwerkstoffen in derFahrzeugtechnik

Einleitung

Zukunftstechnologie Kleben

Klebstoffsysteme für Faserverbundwerkstoffe

Konstruktive Auslegung von Klebverbindungen

Klebstoffverarbeitung und –härtung in der Serienfertigung

Neuere Anwendungen, Entwicklungen und Trends - Ausblick

Inhalt

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Dr. Hartwig Lohse

Kleben von Verbundwerkstoffen in derFahrzeugtechnik - Einleitung

Verbundwerkstoffe in der Automobilfertigung

1946: Stout ‘46 Studie von Owens Corning bzgl. einerGFK Karosserie

1972: Renault 5 Erster SMC Stossfänger

1980: Audi Ur-Quattro geklebter SMC Heckdeckel

1984: Renault Espace Beplankung der feuerverzinktenRohkarosse mit Composite-Pressteilen

1982: Citroen BX Erstes Großserienfahrzeug mit SMC-Fronthaube und BMC Heckklappe

1989: Volvo Truck geklebter SMC Dachspoiler

2002: PSA/FIAT Individualisierung durch SMCHeckklappe (SMC, zweischalig,geklebt)


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Designfreiheit

Individualisierung

Kosten, insbesondere bei geringen Stückzahlen

Durchlässig für elektromagnetische Strahlung

Geräuschdämpfung

Korrosionsbeständigkeit

Gewichtsersparnis

Verbundwerkstoffe in der Automobilfertigung

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Die Verordnung EU 443/2009 legt für den Flottendurchschnittab 2020 zugelassener Neuwagen eine Reduzierung der CO2-Emissionen auf 95 g/km fest.

Maßnahmen der Automobilhersteller:

Optimierungen des Antriebsstranges (Motor, Getriebe)Verkleinerung der Zylinderbrennräume unter Beibehaltung derLeistung

Hybridantrieb – Elektroauto

Reduktion des Luft- und Rollwiderstands

Gewichtsreduktion (100 kg 8,5 g CO2/km = 0,3 l/100 km)

…


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An Assessment of Mass Reduction

Opportunities for a 2017 – 2020 Model YearVehicle Program

Prepared by: Lotus Engineering Inc.

Submitted to: The International Council on CleanTransportation (ICCT)

March 2010

Weitere Informationen ICCT: www.theicct.org

Basierend auf dem Toyota Verza 2009 werden Möglichkeiten zurGewichtsreduktion durch die Verwendung alternativer Werkstoffe aufgezeigt



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Stahl

100 %

> 400 Einzelteile/ 382 kg 211 Einzelteile/221 kg

Stahl

5%

Auminium

37%

M agesium

30%

Composites

21%

Hochfester Stahl

7%

An Assessment of Mass ReductionOpportunities for a 2017 – 2020 Model

Year Vehicle Program

Prepared by: Lotus Engineering Inc.

Submitted to: The International Council on CleanTransportation

March 2010

Beispiel:

Karosserie



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Kleben von Verbundwerkstoffen in derFahrzeugtechnik- Einleitung


2002: Aston Martin Vanquish

CFK-Getriebetunnelverklebt mit der

Aluminium-Karosserie


Quelle: J. Hill, Automotive CircleInternational Bad Nauheim 2002

CFK-Aggregateträgerverklebt mit der

Aluminium-Karosserie

SMC-Seitenwand

~ 15 Liter Klebstoff



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Kleben von Verbundwerkstoffen in derFahrzeugtechnik- Einleitung


2004: BMW M3 CSL – Kohlefaserdach,mit der Karosserie verklebt

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Gewichtsreduzierungund VerlagerungFahrzeugschwerpunktnach unten

m = 5,6 kg

9,2

4,7

11

6,9

3,6

0

2

4

6

8

10

12

Stahl (0,8 m m) Alu (1,2 m m) SMC (4 mm ) GFK (3 mm) CFK (1,8 m m)

Material (Stärke)

Ma

ss

eD

ac

h[k

g]

BMW Group

BMW M3

BMW M3 CSL

BMW M3

BMWM3 CSL

Heute: Serie bei allen BMW M-Modellen

Quelle: R. Haider, H. Lohse -Adäsion 12/2004



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Kleben von Verbundwerkstoffen in derFahrzeugtechnik- Zukunftstechnologie Kleben

ZukunftstechnologieZukunftstechnologieKlebenKleben

Werkstoff:

Kombinationenverschiedener Werkstoffe

(z.B. Duroplast/Thermoplast,Kunststoff/Metall, …)

Verarbeitung:

Erhalt der Werkstoffeigen-schaften

(z.B. Oberfläche, Vermeidungtherm. Schädigung, flächige Kraft-einleitung …)

Integration zusätzlicherFunktionen:

z.B. Dichtigkeit, therm/elektr.Leitfähigkeit, Dämpfung, …)

Konstruktion:

Verbesserte Bauteileigen-schaften

(z.B. Leichtbau, Steifigkeit,Design, …)


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Kleben von Verbundwerkstoffen in derFahrzeugtechnik – Zukunftstechnologie Kleben

Einflußgrößen auf die Festigkeit einer Klebungnach: G. Habenicht, Kleben – Grundlagen, Technologien, Anwendungen, Springer Verlag, 4.Aufl.

Klebstoff

GeometrischeGestaltung

Beanspruchungen

Qualität derKlebung

Klebung

KlebgerechteKonstruktion

Adhäsionsschicht

Fügeteilwerkstoff

Oberfläche


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Eine erfolgreiche Einführung der Klebtechnik erfordert aufgrundihres interdisziplinären Charakters eine frühzeitige Abstimmungund einen ständigen Kontakt zwischen allen, an dem Projektbeteiligten Unternehmen sowie eine kompetente Projektleitung.

Nur so kann gewährleistet werden, dass alle für eine erfolgreicheRealisierung wichtigen Parameter zusammenpassen:


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Eigenschaften der Fügeteil-

werkstoffeOberflächenvorbehandlungTeile-HandlingTaktzeitenToleranzenLosgrößeApplikationstechnikKlebstoffhärtungAdhäsion

Klebstoffformmechanische Klebstoff-eigenschaftenBeständigkeit des KlebstoffeProduktsicherheitArbeits- und UmweltschutzQualitätssicherungKostenetc.



Nur eine kompetente, erfahreneProjektleitung kann erreichen,dass am Ende nicht doch einTeil des Puzzle vergessen wird

Werkstofflieferant

Kunde

Anlagenhersteller

Teilehersteller/Kleber

Klebstoffhersteller

(Extern. Berater)

Lieferant der Rohteile

‚Gesetzgeber‘


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Kleben von Verbundwerkstoffen in der Fahrzeugtechnik –Klebststoffsysteme für Faserverbundwerkstoffe

Zugscherf

estigkeit

[MPa]

Dehnung [%]

10

20

30

40

100 200 300 400

2-k Epoxid-Klebstoffe

2-k-Acrylate

Strukturelle2-k-Polyurethane

1- & 2-k elastischeKlebstoffe

Aufgrund der Anforderungen an den Prozess werdenderzeit die folgenden Klebstoffsysteme verwendet:

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Kleben von Verbundwerkstoffen in der Fahrzeugtechnik –Konstruktive Auslegung von Klebverbindungen

Außenhaut

Strukturteil

Schließblech(KTL)

Scharnier (KTL)

16-25 mm

>3 mm

1 – 1,5mm

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Beispiel: Fronthaube

Quelle: S.Schäfer -European Alliance for SMC, Bremen 2004



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Vermeiden von Abzeichnungen

Neben den mechanischen Eigenschaften der zu verklebendenBauteile sind folgende Parameter von Bedeutung

Verwendung von ‚schrumpfarmen‘ Klebstoffen

Vermeidung von sprungartigen Unterschieden in derKlebschichtdicke

Fügeteil 1

Fügeteil 2

Klebstoff



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keine ins Pressteil integrierte Abstandshalter



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SMC

SMC

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Vermeiden von herausquellenden überschüssigen Klebstoff



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Vermeidung von Spannungen aufgrund unterschiedlicherthermischer Ausdehnung

konstante Härtungsbedingungen



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Vermeidung von Spannungen aufgrund unterschiedlicherthermischer Ausdehnung

konstante Härtungsbedingungen

Vermeidung einer thermischen Schädigung der Außenhautinfolge zu hoher Härtungstemperatur

ThermischeSchädigung derOberfläche



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Kleben von Verbundwerkstoffen in der Fahrzeugtechnik –Klebstoffverarbeitung und –härtung in der Serienfertigung

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Strukturteil Außenhaut

Oberflächenvorbehandlung

mischenTopfzeit

Komp.A

Komp.B

Klebstoff-auftrag

FügenOffene Zeit

Fixieren

WärmeunterstützteHärtung zum

Erreichen einerHandhabungs-

festigkeitBearbeitung

Entnahme aus derFügevorrichtung

Härtung bei RT zumErreichen einerHandhabungs-

festigkeit

Oberflächenvorbehandlung



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Kleben von Verbundwerkstoffen in der Fahrzeugtechnik –Klebstoffverarbeitung und –härtung in der Serienfertigung



SMCStrukturteil


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Kleben von Verbundwerkstoffen in der Fahrzeugtechnik –Neuere Anwendungen, Entwicklungen und Trends - Ausblick

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Hybrid – Heckklappen

Ein ICCT Vorschlag verwendet Magnesium für das Verstärkungsteil und Thermoplastfür die Außenhaut. Erfahrungen am VW Lupo 3-Liter-Auto haben gezeigt, dass derKorrosionsschutz bei Magnesium problematisch , d.h. kostenintensiv ist. SMC alsWerkstoff für das Verstärkungsteil stellt eine Alternative dar. Ein erstes Serien-fahrzeug mit einer Hybrid-Heckklappe wird auf dem Pariser Autosalon (02. – 17.Okt.2010) vorgestellt

ThermoplastischeAußenhaut

(PP/EPDM, ABS,ABS/PC, etc.)

Abb.: ICCT

Es werden neuartige, abzeichnungssfreie Klebstoffe benötigtgute Haftung auf Thermoplasten (PP/EPDM, ABS/PC, ABS, etc.) und SMC.kurze Taktzeit auch bei nur geringer Wärmeunterstützung der Härtung.

.



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Verwendung von Kohlefaser-Materialien

Kohlefaser-SMC für Anbauteile z.B. Porsche 911 GT3 II

CFK Karosserie/Karosserieteile z.B. Tesla Roadster

SMC Außenhaut, C-SMC Strukturteil

1,3 kg Gewichtsersparnis gegenüber der SMC/SMC Heckklappe desVorgängers

Roadster mit Elektroantrieb(288 PS – 212 km/h – 3,7 sec 0 – 96 km/h)

Karosserie aus miteinander im Wesentlichen verklebten Epoxid- undPolyester-CFK-Teilen.



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Verwendung von Kohlefaser-Materialien

BMW MEGACITY –

Erstes Groß-Serienfahrzeug mit CFK Fahrgastzelle

SOP 2013

Das Leichtbau-Konzept kompensiert vollständigdas durch den Elektroantrieb und die Batterienbedingte Mehrgewicht. (250 – 350 kg).

Aufgebaut aus 2 Horizontal getrennte Module

Drive-Modul: Aluminium Chassis zur Aufnahmeder Batterien, des Fahrwerks und dergrundlegenden Crash-Funktionen

Life-Modul: Hochfeste, leichte CFK-Fahrgastzelle



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Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit

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Dr. Hartwig Lohse

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