Foto: Merdedes-Benz AG
Gewicht spielt im Automobilbau eine entscheidende Rolle. Denn jedes zusätzliche Kilogramm erhöht den Kraftstoffbedarf beziehungsweise den Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen. Leichtbau-Materialien sind daher gefragt. Sie müssen aber natürlich, abhängig vom jeweiligen Einsatzgebiet, die richtigen Eigenschaften mit sich bringen. Das gilt in einem besonderen Maße bei teuren Modellen wie der S-Klasse von Mercedes-Benz. Die Kunden stellen hohe Ansprüche und wollen keine Abstriche machen, was Komfort, Haptik und Optik betrifft. Mercedes-Benz hat sich daher für die Entwicklung eines neuen Leichtbau-Materials Partner aus der Wissenschaft an die Seite geholt: das Forschungscluster MERGE der TU Chemnitz.
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Leichtbau-Verbund nach dem Sandwich-Prinzip
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom MERGE haben den Grundstein gelegt für die neue Entwicklung. Es handelt sich um ein Leichtbau-Material nach dem Mikrosandwich-Prinzip, auch Sandwich-Verbund genannt. Das heißt: Es besteht aus drei Komponenten, die übereinandergeschichtet werden. Die beiden äußeren Deckschichten sind sehr dünn und schützen dennoch den leichten Kern. Es handelt sich dabei um einen Schaumkern, der aus Polyethylenterephthalat (PET) besteht. Ein Teil des PET ist recycelter Kunststoff.
Die Deckschichten können variabel angepasst werden, abhängig davon, für welches Einsatzgebiet das Leichtbau-Element gedacht ist. Eingesetzt werden dafür hybride glas- oder naturfaserverstärkte Vliesstoffe. Die Einzellagen werden in der Fertigung durch eine Schmelzklebefolie miteinander verbunden oder alternativ über eine sogenannte mechanische Vernadelung. Ihr Funktionsprinzip kann man sich ähnlich wie einen Klettverschluss vorstellen: Aus den Deckschichten ragen Einzelfasern heraus, die den Kern, vereinfacht gesagt, durchstechen, um sich auf der anderen Seite mit der dortigen Deckschicht zu verankern.
Leichtbau-Elemente aus dem 3D-Drucker
„Die von uns begleiteten Untersuchungen dienten unter anderem der mechanischen Kennwertbestimmung, mithilfe derer etwa Biegemodul und Biegefestigkeit ermittelt werden. Diese Leistungsmerkmale geben Aufschluss darüber, wie nachgiebig und fest ein Material ist“, sagt Roman Rinberg, MERGE-Wissenschaftler und Forschungsbereichsleiter für Biopolymere und Naturfaserverbunde an der Professur für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung (SLK).
Außerdem hat das Forschungsteam der TU für Mercedes-Benz die Charakterisierung des Leichtbau-Werkstoffes ermittelt, also gezeigt, wie Struktur und Eigenschaften zusammenhängen. Etliche Zyklen aus Simulationen und Umformungsversuchen waren nötig, um den Umformgrad bestimmen zu können. Damit ist die geometrische Veränderung des Werkstücks beim Umformprozess gemeint. Jetzt ist es möglich, aus dem flachen Material 3D-Komponenten zu produzieren.
Gegenüber herkömmlichen Elementen sind die Bauteile aus dem neuen Material übrigens um bis zu 50% leichter. „Sandwichverbundbauteile mit leichten Kernwerkstoffen sind eine vielversprechende Strategie zur weiteren Gewichtsminimierung bei biegebelasteten Strukturen“, sagt Rinberg. „Im automobilen Interieur stellt die Anwendung dieser Leichtbauweise eine besondere Herausforderung dar, da geeignete Materialkonzepte den Anforderungen der Automobilindustrie sowohl technologisch als auch ökonomisch gerecht werden müssen.“ Das ist hier aus seiner Sicht gelungen. Denn das neue Leichtbau-Material bringt zwei weitere Eigenschaften mit sich, die für Mercedes-Benz sehr wichtig sind. Zum einen lässt es sich sehr gut formen, was eine große Bandbreite an Anwendungen erlaubt. Zum anderen ist es äußerst nachgiebig, bricht also nicht so leicht. Das verbessere indirekt die Sicherheit der Passagiere.
Einbau im Vorzeigemodell S-Klasse
Es ist natürlich kein Zufall, dass der innovative Sandwich-Verbundstoff ausgerechnet in der S-Klasse eingesetzt wird, zunächst serienmäßig in den Kartentaschen der Türverkleidungen, der Hutablage sowie im Lehnenspannteil des Sitzes. Für Mercedes-Benz ist die S-Klasse eine Art Flaggschiff. Neue Entwicklungen werden hier zuerst gezeigt und wandern später in andere Baureihen. „Forschung und Entwicklung sind der Schlüssel zum Unternehmenserfolg von Mercedes-Benz. Neben der Digitalisierung und der Elektrifizierung gehören Nachhaltigkeit und Umweltschutz zu den strategischen Zielen von Mercedes-Benz. Daher war auch Leichtbau bei der Konstruktion der aktuellen S-Klasse ein besonderer Fokus, denn der Prozess einer ressourcenschonenden Entwicklung ist fest in der Fahrzeugentwicklung verankert“, sagt Entwicklungsingenieur Christoph Menzel.
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