ZF Composites Tech Center Die Kunst der leichten Bauteile

Um CO₂-Emissionen zu senken, müssen Fahrzeuge leichter werden. ZF entwickelt gewichtsparende Bauteile für die Serienfertigung.

Die Presse öffnet sich langsam und gibt den Blick auf einen Pkw-Radträger aus kohlefaserverstärktem Kunststoff frei. Das extrem feste Bauteil liegt leicht in der Hand. Kaum zu glauben, woraus es entstanden ist: Das Ausgangsmaterial, aufgerollte Matten aus Kohlefaser, erweckt eher den Eindruck, als sei es für die Bekleidungsindustrie bestimmt.

Das ZF Composites Tech Center in Schweinfurt entwickelt seit Juli 2013 Leichtbauprodukte aus Faser-Kunststoff- Verbundmaterial (FKV) – unter anderem für das Fahrwerk. Diese werden aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) oder glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) hergestellt. Einen Leichtbau-Radträger verwirklichte ZF bereits in beiden FKV-Varianten. Kombiniert mit einem Leichtbau- Dämpfer übernehmen die Radträger im Pkw Radführung und Dämpfung – und bringen dabei bis zu 40 Prozent weniger auf die Waage als konventionelle Konstruktionen. Damit solche Gewichtsparer möglichst rasch und kosteneffizient den Weg in die Serienfertigung finden, hat ZF in das 400 Quadratmeter große Composites Tech Center 3,1 Millionen Euro investiert. Gebäude, Maschinen und Anlagen verströmen eine blitzsaubere Laboratmosphäre.„Wir liefern die produktionstechnischen Grundlagen bis hin zu seriennahen Funktionsprototypen – sind aber kein Produktionsstandort“, grenzt Dr. Ignacio Lobo Casanova, Leiter des Centers, das Aufgabenspektrum ein. „Weil aber Herstellungsverfahren und Produkteigenschaften bei Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen sehr eng zusammenhängen, begleiten wir frühzeitig die Entwicklung in den ZF-Divisionen.“ Dr. Michael Heselhaus, der den Aufbau des Composites Tech Centers verantwortete, erklärt: „Gegenüber dem Einsatz von Stahl oder Aluminium müssen bei FKV viel mehr Einflussgrößen berücksichtigt werden. Anders gesagt stellt hier jedes Bauteil ganz individuelle Anforderungen an das Material und seine Verarbeitung.“

Prototypen-Entwicklung inhouse

Weitere Vorgaben sind Zielkosten bei der Herstellung, geplante Stückzahlen und erforderliche Taktzeiten für die Serienproduktion. „Gemeinsam mit der Produktentwicklung arbeiten wir an der Erstellung von Lastenheften, um auch die Anforderungen einer späteren wirtschaftlichen Serienfertigung von FKV-Produkten zu gewährleisten. Das heißt zum Beispiel: Welche Anpassungen sind erforderlich, welche Taktzeiten sind mit dem Produktdesign realisierbar und welche Kosten entstehen?“, so Heselhaus. Ein weiterer Vorteil des Composites Tech Centers für das ZF-Entwicklungsnetzwerk: Der Technologiekonzern hat nun die Möglichkeit, FKV-Prototypen ohne den Umweg über externe Partner inhouse zu fertigen. Diesen Pluspunkt schätzen die Entwicklungsabteilungen der einzelnen ZF-Divisionen besonders.

Potenzial bis in die kleinste Faser

Konkret sieht die Zusammenarbeit zwischen dem ZF Composites Tech Center, das vom Zentralen Produktionsressort in Friedrichshafen betrieben wird, und den ZF-Divisionen so aus: Stehen die Rahmendaten und das Konzept für ein FKV-Bauteil fest, schalten die verantwortlichen Produktingenieure das Composites Tech Center ein. In einem ersten Schritt entstehen zunächst Materialproben, die optisch noch nichts vom späteren Bauteil erkennen lassen. Sie werden unter anderem auf Belastbarkeit und Temperaturbeständigkeit getestet.

Virtuelle Funktionsprüfung

Anschließend verarbeiten Berechnungsexperten die Daten in Simulationstools. Ein Hochleistungsrechner bildet den Prototypen – etwa den späteren CFK-Radträger – bis ins Detail ab. Dabei analysiert die Software, wie sich das Bauteil bei bestimmten Lastkollektiven verhält und wie sich dessen Geometrie gegebenenfalls optimieren lässt. Sogar die Funktionsprüfung der Komponente im Fahrzeug ist ab hier möglich – virtuell natürlich. Erst dann widmet sich das Team in Schweinfurt dem realen Produktprototypen. Im Fall des Radträgers werden zunächst verschiedene vordefinierte Lagen aus den Fasermatten ausgeschnitten und ein Roboter legt diese – immer die Faserrichtung berücksichtigend – auf eine Schaumstoffform, die geometrisch der späteren Komponente entspricht. Auch um das passende Werkzeug für die Presse kümmern sich Lobo Casanova und seine Mannschaft. Der im RTM-Prozess (Resin Transfer Moulding) fertiggestellte Prototyp muss sich dann in echten Fahrzeugerprobungen bewähren. Beim Federbein-Radträger-Modul nutzt ZF dafür einen exklusiven Pkw: seinen rein elektrisch angetriebenen Innovationsträger.

Mehrwert statt Mehrkosten

„Die Abgas-Gesetzgebung treibt den automobilen Leichtbau voran, denn allein mit motorseitigen Verbesserungen können Fahrzeughersteller kommende Emissionsziele nur schwierig erreichen“, erläutert Lobo Casanova. Dabei deckt das ZF Composites Tech Center aber nur einen Teil der Leichtbau-Initiativen im Konzern ab: Duroplastische FKV-Werkstoffe stehen in Schweinfurt im Mittelpunkt. ZF erprobt außerdem auch den Einsatz thermoplastischer FKV-Werkstoffe (etwa Organoblech) sowie leichterer Metalle. Bevor ZF überhaupt Bauteile aus FKV initiiert und diese im Schweinfurter Composites Tech Center als Prototypen entstehen lässt, werden zwei wichtige Voraussetzungen geprüft: GFK und CFK kommen erst dann zum Einsatz, wenn die geforderten Komponenteneigenschaften damit besser als mit anderen Materialien zu erreichen sind. Oder wenn eine Funktionsintegration möglich ist, die im Optimalfall gleich mehrere, bislang separate Einzelkomponenten einspart. „Damit gleichen wir einen großen Teil der Mehrkosten wieder aus, die FKV als Ausgangsstoff und in der Verarbeitung heute noch verursacht“, so Lobo Casanova.

Fotos: Peter Neusser

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