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Dec 01, 2023

Williams Advanced Engineering entwickelt zwei innovative CFRP-Technologien: 223 und Racetrak

Williams Advanced Engineering hat zwei innovative Technologien entwickelt

Williams Advanced Engineering hat zwei innovative Technologien entwickelt, die eine deutliche Verbesserung der Erschwinglichkeit von Verbundwerkstoffen versprechen. Diese als 223 und Racetrak bekannten Technologien bieten eine vergleichbare Leistung wie bestehende Verbundwerkstofflösungen, jedoch mit einer Reihe zusätzlicher Vorteile und zu einem Preis, der sie in die Reichweite gängiger Anwendungen bringt.

Dabei handelt es sich nicht einfach nur um Innovationen in der Fertigung: Es handelt sich um umfassende, ganzheitliche Lösungen, die jeden Aspekt der Herstellung, Verwendung und des Recyclings von kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK) und die Art und Weise, wie seine Eigenschaften neue Ansätze ermöglichen, berücksichtigen Fahrzeugdesign und -herstellung.

CFK ist ein vielversprechendes Material. Sein außergewöhnlich hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, seine beeindruckende Steifigkeit sowie seine ausgezeichnete Ermüdungs- und Umweltbeständigkeit machen es zu einer attraktiven Wahl für eine Vielzahl von Branchen und Anwendungen.

Dies gilt insbesondere für die Automobilindustrie, wo Leichtbau als eines der wichtigsten Instrumente angesehen wird, um immer strengere Kraftstoffverbrauchs- und Emissionsziele zu erreichen und die erforderliche Reichweite von Elektrofahrzeugen zu unterstützen. Die Vorteile von CFK erstrecken sich jedoch über viele Branchen hinweg, von Eisenbahnwaggons bis hin zu Windkraftanlagen.

Trotz dieser überzeugenden Vorteile und der jüngsten Prozessfortschritte in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie haben eine Reihe von Faktoren die Masseneinführung von CFK behindert. Hierzu zählen vor allem die Kosten, da herkömmliche Herstellungsmethoden für Verbundwerkstoffe teure Materialien und lange Prozesszeiten erfordern.

Sie verursachen außerdem eine relativ hohe Ausschussrate (in der Regel etwa 30 %), was durch die Herausforderungen der Rückgewinnung des Kohlenstoffs aus vorimprägnierten Reststücken und der Wertschöpfung des Materials am Ende der Produktlebensdauer noch verstärkt wird.

Diese Herausforderungen haben dazu geführt, dass die Anwendung von CRFP weitgehend auf Nischenanwendungen beschränkt ist. Im Automobilsektor beispielsweise ist eine mit herkömmlichen Verbundtechniken hergestellte Rohkarosseriestruktur in der Regel etwa 60 % leichter als eine aus Stahl gefertigte, kostet aber etwa das Zwanzigfache. Dies hat seine Anwendung auf Fahrzeuge beschränkt, die geringe Stückzahlen bzw. hohe Kosten haben oder bei denen der Fahrzeughersteller den Prozess als Teil seiner Erlernung neuer Technologien subventioniert.

Die Innovationen von Williams Advanced Engineering zielen darauf ab, diese Herausforderungen anzugehen und die Vorteile von CFRP zu nutzen.

Das Herzstück der 223-Innovation ist ein völlig anderes (und daher vertrauliches) Verfahren zur Integration einer gewebten, trockenen Faserverstärkungsplatte mit einer separat hergestellten Harzmatrix.

Das 223-Verfahren wurde als kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung dreidimensionaler Verbundstrukturen aus einer zweidimensionalen Form konzipiert. Es eignet sich für kastenförmige Geometrien, etwa Batteriebehälter für Elektrofahrzeuge oder möglicherweise sogar komplette Fahrzeugmonocoques.

Der Name leitet sich von einem charakteristischen Merkmal des Verfahrens ab: Während Verbundbauteile in der Regel in ihrer endgültigen Geometrie aufgelegt werden müssen, ermöglicht 223 die Erstellung des Bauteils zunächst als zweidimensionales Bauteil, bevor es zu einer dreidimensionalen Struktur gefaltet wird.

Dies bietet sich für ein breites Anwendungsspektrum an. Insbesondere eignet sich 223 für Strukturen, die derzeit aus vielen einzelnen Komponenten zusammengesetzt sind und bei denen der Zugang zum Ausbau Zeit und Kosten verursacht. Ein gutes Beispiel ist eine Rohkarosserie eines Automobils, die typischerweise aus etwa 300 Metallpressteilen besteht, die mit vielleicht 600 verschiedenen Werkzeugen hergestellt werden; Eine Fahrzeughaube kann vier verschiedene Pressvorgänge erfordern. Mit 223 konnte die Anzahl der Pressungen auf etwa 50 reduziert werden, die alle auf einer einzigen Maschine erstellt wurden, was zu einer deutlichen Reduzierung der Investitionsausgaben für Werkzeuge führte.

Bei der Rohkarosserie eines Autos könnte eine Gewichtseinsparung von etwa 25 bis 30 % im Vergleich zu einer gleichwertigen Aluminiumlegierungsstruktur erreicht werden. Mit 223 könnte dies in größeren Mengen und zu geringeren Kosten als eine herkömmliche Verbundlösung geliefert werden. Wenn eine geringere Festigkeit erforderlich ist, könnten weitere Kosteneinsparungen erzielt werden, indem kostengünstigere Materialien, beispielsweise Glasfasern, spezifiziert werden, während alternative Harze spezifiziert werden können, um die Zähigkeit und Hitzebeständigkeit zu erhöhen.

Racetrak ist ein neuartiges Verfahren zur Herstellung sehr hochfester Strukturelemente, die zwei oder mehr Punkte verbinden, wie beispielsweise Querlenker von Kraftfahrzeugen oder die Verbindungsarme von Flugzeugfahrwerken. Die Technik basiert auf einem bewährten Designkonzept, bei dem eine durchgehende Schleife aus unidirektionalem Material – in diesem Fall Kohlefaser – für eine extrem hohe Ringfestigkeit sorgt.

Diese Lokalisierung der sehr hohen eingebetteten Festigkeit ermöglicht eine erhebliche Kostenreduzierung, die in Kombination mit einem hohen Automatisierungsgrad eine erschwingliche Komponente ermöglicht, die deutlich leichter ist als herkömmliche Alternativen.

Im Falle eines Querlenkers für eine Automobilanwendung könnte das fertige Teil etwa 40 % leichter sein als das entsprechende geschmiedete Aluminiumteil und bis zu 60 % leichter als Stahl, wodurch es im Vergleich zu einem Premium-Aluminium-Schmiedeteil kostenmäßig konkurrenzfähig wäre.

Die Racetrak-Teile bestehen aus drei Hauptkomponenten: einem Kern aus kostengünstigem Vliesstoff, einer Schlaufe aus unidirektionaler Kohlefaser und auf beiden Seiten davon einer Schutzhülle aus gestanztem Fasergewebe. Die Herstellung erfolgt vollständig automatisiert, wobei die unidirektionale Schlaufe robotergesteuert aufgewickelt wird, um eine präzise, ​​wiederholbare, maßgeschneiderte Faserplatzierung zu ermöglichen. Dieser Vorformling aus verstärktem Material wird dann trocken in ein Werkzeug gelegt, das einen leichten Formdruck ausübt, um eine herausnehmbare Kartusche zu erzeugen.

Dieses wird in eine Industriepresse gegeben, wo ein Vakuum angelegt und das Harz in die erhitzte Form eingespritzt wird. Unter diesen Bedingungen dauert die Aushärtung des Harzes etwa 90 Sekunden. Anschließend wird es aus dem Gerät ausgeworfen und eine neue Patrone geladen.

Bei einer Zykluszeit von derzeit nur 120 Sekunden können mit einer einzigen Presse in diesem Verfahren mehr als 500.000 Einheiten pro Jahr hergestellt werden.

Williams Advanced Engineering FW-EVX-Plattformkonzept für Elektrofahrzeuge. Der FW-EVX ist eine Vision einer zukünftigen Plattform für Elektrofahrzeuge, die eine Reihe neuer Ansätze, darunter Racetrak und 223, in einer einzigen, hochintegrierten Lösung integriert, die den Herausforderungen effektiver, erschwinglicher Elektrofahrzeuge gerecht wird.

Gepostet am 09. März 2019 in Fertigung, Materialien, Gewichtsreduzierung | Permalink | Kommentare (2)