Leichtbau im Fahrzeug, Bild: DLR/Frank Eppler

Um Autos in Zukunft leichter zu machen, arbeiten Wissenschaftler des DLR an neuen Leicht- und Hybridbauweisen wie die Sandwichbauweise. DLR-Wissenschaftlerin Carmen Scholz begutachtet eine getestete Sandwichstruktur, die mit Kunststoffschrauben gefügt ist. Bild: DLR/Frank Eppler

Im Gegensatz zur herkömmlichen Vollstahlkarosserie werden bei der Sandwichbauweise sogenannte hybride Werkstoffe verwendet. Diese setzen sich aus zwei unterschiedlichen Materialien zusammen, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Eine feste, steife Decklage nimmt die auf das Fahrzeug wirkenden Kräfte auf. Dazwischen befindet sich ein sehr leichter Kern, zum Beispiel aus Schaumstoffen oder einer Wabenstruktur. Dieser spezielle Aufbau macht die Strukturen bei geringem Gewicht sehr biege- und beulsteif. Bei einem Crash nehmen sie sehr viel Energie auf, was sich vorteilhaft auf die Sicherheit der Karosserie und damit der Fahrzeuginsassen auswirkt.

Noch gibt es in der Automobilindustrie keine Serienfahrzeuge, in denen tragende Strukturen in Sandwichbauweise zum Einsatz kommen. Um das Leichtbaupotenzial von Sandwichmaterialien in Zukunft besser nutzen und für die industrielle Serienproduktion erschließen zu können, werden im Projekt PuVerSand geeignete Fügekonzepte erforscht. Ziel ist es, punktförmige und lösbare Verbindungstechniken zu entwickeln sowie die damit zusammenhängenden Prozesse von der Auslegung bis zur Fertigung zu optimieren.

Kleben als Fügeverfahren

„Da sich die Eigenschaften von Decklage und Kern bei Sandwichwerkstoffen sehr stark unterschieden, ist es schwieriger, Teile zusammenzufügen oder etwas an ihnen anzubringen“, fasst DLR-Wissenschaftlerin Carmen Scholz, Leiterin des Projekts am DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte, eine zentrale Herausforderung zusammen.

Kunststoffschrauben, Bild: DLR/Frank Eppler
In eine Probe aus Sandwichmaterial bringt DLR-Forscherin Carmen Scholz spezielle Kunststoffschrauben ein, um danach deren Fügeeigenschaften zu testen. Bild: DLR/Frank Eppler

Bisher greift man oft auf Kleben als Fügeverfahren zurück, um Sandwichplatten miteinander zu verbinden. Das hat allerdings den Nachteil, dass der Klebstoff bis zu einer Woche benötigt, um vollständig auszuhärten. Außerdem lassen sich geklebte Teile oft nicht mehr lösen, wenn man Komponenten austauschen oder reparieren möchte.

Alternativ können auch massive Schienen oder sogenannte Inserts verwendet werden, in die dann Schrauben eingebracht werden – ähnlich wie bei einem Dübel in der Wand. Diese Fügemethoden erhöhen allerdings das Gewicht der eigentlich sehr leichten Sandwichstruktur wieder deutlich. Zudem müssen sie oft schon bei der Herstellung der Sandwichplatten eingebracht werden. „Der Konstrukteur muss sich also bereits von Beginn an festlegen, wo Fügestellen liegen sollen, was die Flexibilität des Prozesses stark einschränkt“, erklärt Scholz die Nachteile der bisher gebräuchlichen Verfahren.

Ein Partner im Projekt PuVerSand ist der Wohnmobilhersteller Hymer, der für seine Fahrzeuge bereits Sandwichmaterialien einsetzt, zum Beispiel für Seitenwände, Dach- und Bodenstrukturen. Da die Wohnmobile entsprechend individueller Kundenanforderungen gefertigt werden, ist Flexibilität bei Fügestellen und Fügeverfahren von Vorteil.

Punktförmige Fügeverfahren

Punktförmige Verbindungen haben im Vergleich zu den vorher genannten Verfahren mehrere Vorteile: Sie sind flexibler und stabiler, weil sie in Decklage und Kern der Sandwichstruktur eingebracht werden. Die auf die Verbindung wirkenden Kräfte verteilen sich so auf einen größeren Bereich. Außerdem sind diese Verbindungen schneller und auf einer kleineren Fläche anbringbar, was den Produktionsprozess beschleunigt, sowie zum größten Teil wieder lösbar, wenn sie nicht zusätzlich geklebt wurden.

Im Fokus der Forschungsarbeiten stehen drei grundlegend unterschiedliche Verbindungselemente: sogenannte Reibschweißelemente, die mit Hilfe hoher Reibung durch die Decklage dringen und mit dem Kernmaterial verschmelzen, spezielle Kunststoffschrauben sowie geklemmte und geklebte Inserts.

„Um Fügeprozesse zu optimieren, untersuchen wir außerdem, welche Verbindungsfestigkeit für welches Sandwichmaterial erreicht werden kann – und testen konkret in Versuchen, wo die Belastungsgrenzen liegen“, erläutert Carmen Scholz weiter. „So wollen wir herausfinden, welches Fügeverfahren, abhängig von Materialeigenschaften und Anwendung, am besten für die flexible Fertigung von morgen geeignet ist.“