Start » Service » News Seite drucken | Impressum/Datenschutz | Site-Map
7-forum.com Logo
Zukunfts-Mobilität
Designskizze Megacity Vehicle
 BMW Innovationstag
 im Kontext
News-Menü
 News-Kategorien
 7-forum.com Service
IAA 2015
BMW auf der IAA 2013
 IAA 2015: Fotos
 Neuheiten
 BMW auf der IAA
 MINI auf der IAA
 Rolls-Royce
 Alpina auf der IAA
 IAA Rückblick


 
 Hersteller-News  

Kategorie: Technik M-Modell Werk

BMW-Modellreihe: E90

02.07.2010
Mobilität der Zukunft: CFK - ein Werkstoff der Zukunft.
BMW Innovationstage 2010

 

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist aus der Luft- und Raumfahrtindustrie oder dem Rennsport längst nicht mehr wegzudenken. Besonders dort, wo ein stark belastbarer und trotzdem leichter Werkstoff mit hoher Steifigkeit und Festigkeit gefragt ist, nutzen die Konstrukteure zunehmend die Vorteile von CFK. Deshalb beschäftigen sich auch die Experten des Landshuter Innovations- und Technologiezentrums (LITZ) seit über zehn Jahren intensiv mit dem Hightech-Werkstoff. Durch die langjährige Entwicklungsarbeit und den Transfer in die Serienproduktion hat sich die BMW Group ein im Automobilbereich einzigartiges Know-how über Prozesse, Werkzeuge und Verarbeitung sowie einen hohen Grad an Industrialisierung in der CFK-Produktion erarbeitet. Doch was macht diesen Werkstoff so besonders?

Unglaublich leicht und so stabil wie Stahl.

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ist ein Verbundwerkstoff und besteht aus einer Kohlenstofffaser, die von einer Kunststoffmatrix (Harz) umgeben ist. CFK ist kaum mit einem anderen Werkstoff zu vergleichen. Er vereint in sich zahlreiche positive Eigenschaften, die in dieser Kombination einzigartig sind. So ist CFK zuallererst überaus steif und fest – und das bei einem äußerst geringen Gewicht.

BMW Werk Landshut, Preformen des Carbondaches BMW M3

BMW Werk Landshut, Preformen
des Carbondaches BMW M3

 

Bei mindestens gleicher Funktion ist CFK rund 50 Prozent leichter als Stahl und immerhin 30 Prozent leichter als Aluminium. Außerdem ist der Werkstoff resistent gegen Korrosion, Säuren sowie organische Lösungsmittel und damit deutlich langlebiger als Metall. Zudem bleibt CFK unter allen klimatischen Bedingungen stabil und verformt sich auch unter hohen Temperaturschwankungen kaum.

Leichtbau ohne Kompromisse an Sicherheit.

Die hohe Festigkeit des Werkstoffes geht überdies mit hervorragenden Dämpfungseigenschaften sowie einer hohen Schlagzähigkeit einher. CFK besitzt eine beeindruckende Fähigkeit zur Energieabsorption und ist somit sehr schadenstolerant. Karosseriekomponenten aus CFK sind nicht nur sehr leicht, sondern zeigen darüber hinaus ein vorbildliches Crashverhalten. CFK ist damit das leichteste Material, das sich ohne Sicherheitseinbußen im Karosseriebau einsetzen lässt. Doch das Material ist nicht unendlich belastbar. Überschreiten die einwirkenden Kräfte die Festigkeitsgrenzen des Werkstoffes, trennt sich der Faserverbund kontrolliert in seine einzelnen Bestandteile auf.

„Um CFK zu zerstören, braucht man sehr große Kräfte bzw. sehr große Beschleunigungen. Deutlich mehr als man auf den ersten Blick glauben mag.“ (Bernhard Dressler)

Lastgerechtes Maßschneidern von Bauteilen.

Das Geheimnis dieses hochfesten Werkstoffes ist die Kohlenstofffaser. Im Gegensatz zu quasi isotropen Metallen wie Aluminium oder Stahl, die in alle Raumrichtungen gleich belastbar sind, ist die Kohlenstofffaser anisotrop. Sie ist wie ein Stab vor allem in eine Richtung, nämlich auf Zug und Druck, äußerst belastbar. Das ist ihr entscheidender Vorteil: Da in einem Bauteil nie in allen Punkten gleichzeitig Lastfälle in alle Raumrichtungen auftreten, erlaubt diese besondere Eigenschaft das belastungsgerechte Maßschneidern von Bauteilen.

BMW Werk Landshut, Lagenaufbau des Carbondachs BMW M3

BMW Werk Landshut, Lagenaufbau
des Carbondachs BMW M3

 

Wie die Natur, die das Material in Knochen oder Pflanzen nur dort anlagert, wo es wirklich gebraucht wird, konfektionieren die Experten der BMW Group die CFK-Bauteile in der erforderlichen Ausrichtung und Materialstärke. Dazu ordnen sie die Fasern in der erforderlichen Menge entlang der späteren Belastungsrichtung(en) an. Das Bauteil ist damit kennwertgerecht ausgelegt und gleichzeitig sehr leicht.

„CFK erlaubt effizienten Materialeinsatz für optimale Stabilität und Funktion bei minimalem Gewicht.“ (Bernhard Dressler)

Der Einsatz von CFK ist mehr als nur ein einfacher Materialersatz, so wie beispielsweise Stahl durch Aluminium ersetzt werden kann. Durch seine besonderen Eigenschaften erlaubt das Hightech-Material vollkommen neue Herangehensweisen und damit auch neue Konstruktionskonzepte. Gerade im Hinblick auf die Elektromobilität bietet CFK als Karosseriebaumaterial großes Potenzial, da das geringe Materialgewicht ein höheres Leistungsgewicht und damit eine höhere Reichweite ermöglicht. Durch den überlegten Einsatz von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff lassen sich zahlreiche Leichtbauprodukte enorm verbessern, sofern man den Werkstoff wirklich verstanden hat.

„Erst der richtige Umgang mit CFK macht den Leichtbau aus.“ (Jochen Töpker)

Technologiekompetenz der BMW Group.

Dass CFK bisher nur in Kleinserien oder bei Prototypen verbaut wurde, hat mehrere Gründe. Üblicherweise entstanden die Bauteile aus dem vergleichsweise jungen Werkstoff bislang überwiegend in Handarbeit und mit sehr hohem Zeitaufwand. Die damit einhergehenden Kosten sowie lange Zykluszeiten in Fertigung und Verarbeitung standen einer Großserienproduktion bisher entgegen. Seit 2003 jedoch produziert die BMW Group CFK-Bauteile in industrialisierter Serienproduktion mit kontinuierlich steigenden Stückzahlen. Inzwischen werden in Landshut sogar die Dächer für die BMW Modelle M3 und M6 sowie die Stoßfängerträger des M6 in industrialisierter Produktion gefertigt.

CFK-Dach des BMW M3

CFK-Dach des BMW M3

 

Durch die intensive Werkstoff- und Verfahrensentwicklung hat sich die BMW Group in den letzten zehn Jahren eine große Kompetenz in CFK-spezifischen Fertigungsprozessen, zielführendem Werkzeugeinsatz und der Optimierung von Zykluszeiten erarbeitet. So ist es CFK-Spezialisten der BMW Group gelungen, den Fertigungsprozess für CFK-Bauteile im Werk Landshut so weiterzuentwickeln und zu automatisieren, dass nun erstmals auch die wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Großserienfertigung von Karosseriekomponenten aus Kohlenstofffaserwerkstoffen möglich ist. Damit haben die Verfahrensspezialisten des Landshuter Innovations- und Technologiezentrums (LITZ) eine der wesentlichen Grundlagen für den verstärkten Einsatz von Kohlenstofffaserwerkstoffen in Automobilkarosserien geschaffen. Hier leistet die BMW Group wichtige Pionierarbeit, um das Potenzial des Werkstoffes zukünftig noch mehr erschließen zu können.

Hochmoderne Produktion bei der BMW Group.

Die momentan noch vielfach angewendete Produktionsweise, in der im Vorfeld in Harz getränkte Faserhalbzeuge – so genannte Prepregs – der Verarbeitung zugeführt und anschließend im Autoklaven, einem riesigen Backofen, fertiggestellt werden, ist für die industrielle Großserienproduktion von Automobilen nicht praktikabel. Bei der BMW Group hat deshalb bereits im Jahr 2003 eine neue Generation der CFK-Serienfertigung begonnen, die eine Serienproduktion auf hohem Fertigungsniveau ermöglicht. Hochmodern und mit sehr kurzen Zykluszeiten. Dabei ist die CFK-Produktion keinesfalls ausschließlich an den Standort Landshut gebunden, sondern unter einigen wenigen Voraussetzungen theoretisch an allen BMW Standorten der Welt durchführbar. Doch wie entsteht ein CFK-Bauteil bei der BMW Group?

Von der Faser zum Gelege.

BMW Werk Landshut: Trennmittelauftrag in die RTM Presse (Resin Transfer Mould)

BMW Werk Landshut: Trennmittelauftrag
/in die RTM Presse (Resin Transfer Mould)

 

Ausgangspunkt der CFK-Produktion ist der so genannte Precursor. Diese thermoplastische Textilfaser aus Polyacrylnitril bildet die Basis für den Produktionsprozess. In einem komplexen, mehrstufigen Prozess unter verschiedenen Temperatur- und Druckverhältnissen werden sämtliche Elemente der Faser gasförmig abgespalten, bis nur noch eine aus nahezu reinem Kohlenstoff bestehende Faser mit stabiler Graphitstruktur vorliegt. Die entstandene Carbonfaser ist lediglich sieben Mikrometer (0,007 Millimeter) dünn, ein menschliches Haar dagegen misst rund 50 Mikrometer. Für die Verwendung im Automobilbereich werden anschließend ca. 50 000 dieser Einzelfilamente zu so genannten „rovings“ oder „heavy tows“ zusammengefasst und für die Weiterverarbeitung aufgewickelt. Neben den automobilen Anwendungen kommen die Faserverbünde dieser Stärke zum Beispiel auch in großen Rotorblättern von Windenergieanlagen zum Einsatz.

Im nächsten Prozessschritt werden die Faserbündel zu Gelegen verarbeitet. Im Gegensatz zu einem Gewebe werden die Fasern in der Gelegeherstellung nicht miteinander verschränkt und verwoben, sondern in einer Ebene nebeneinander angeordnet. Das Weben würde die Faser krümmen und damit die hervorragenden Eigenschaften teilweise wieder reduzieren. Erst die Faserorientierung im Gelege gewährleistet die optimalen Eigenschaften eines CFK-Bauteils.

Preformen und Konfektionieren – optimal in Form gebracht.

BMW Werk Landshut: Entnahme des Carbon Dachs BMW M3 aus der RTM Presse (Resin Transfer Mould)

BMW Werk Landshut: Entnahme des Carbon Dachs BMW M3 aus der RTM Presse (Resin Transfer Mould)

 

Das zugeschnittene, aber noch flache Gelege erhält dann im so genannten Preformprozess seine spätere Form. Dabei verleiht ein Heizfeld dem Lagenpaket eine stabile, dreidimensionale Kontur. Die spätere Bauteilform ist bereits klar zu erkennen. Mehrere dieser vorgeformten Lagenpakete (Preform-Rohlinge) können dann zu einem größeren Bauteil zusammengefügt werden. Dadurch lassen sich mit CFK beispielsweise hochintegrierte und großflächige Karosseriebauteile herstellen, die sich sonst nur mit großem Aufwand aus Aluminium oder Stahlblech realisieren ließen. Das hat erhebliche Vorteile für die Konstruktion und die Fertigung der Karosserie: Verschiedene Funktionen, wie z. B. Befestigungselemente, lassen sich direkt in das Bauteil integrieren. Selbst komplexe Strukturteile sowie ganze Karosserie-Baugruppen mit verschiedenen Wandstärken können so in einem Werkzeug gefertigt werden.
In den beiden Prozessschritten, Vorformen und Konfektionieren, besteht die große Herausforderung darin, ein flexibles Textil so handhabbar zu machen, dass die Form des Preform-Rohlings stabil bleibt und außerdem die Rohlinge in der Konfektionierung passgenau verbunden werden. Auch hier hat sich die BMW Group im Laufe der Jahre wertvolle Expertise erarbeitet.

Harzen unter Hochdruck mit Resin Transfer Moulding (RTM).

Die konfektionierten Preform-Rohlinge werden dann dem nächsten Prozessschritt zugeführt, der Harzinjektion. Damit die vorgeformten Lagenaufbauten dauerhaft in ihrer vorkonfigurierten Form bleiben, benötigt man den zweiten wichtigen Werkstoff für den Verbund – das Harz. Beim Resin Transfer Moulding (RTM) wird das Harz unter hohem Druck in die Preform-Rohlinge injiziert. Erst durch die Verbindung der Fasern mit dem Harz und das anschließende Aushärten erhält das Material seine Steifigkeit und damit seine hervorragenden Eigenschaften.

BMW Werk Landshut: Preformen des Carbon Dachs BMW M3

BMW Werk Landshut: Preformen
des Carbon Dachs BMW M3

 

Die Imprägnierung der Fasern mit dem Harz ist ein hochkomplexer Prozess voller gegensätzlicher Anforderungen. So soll das Harz einerseits innerhalb sehr kurzer Zeit an jede Stelle des Materials vordringen und jede Faser bis auf mikroskopische Ebene benetzen. Daher muss das Harz eine möglichst geringe Viskosität besitzen, also flüssig genug sein, um sich schnell im gesamten Gelege verteilen zu können. Andererseits soll das Harz schnellstmöglich aushärten, sobald das gesamte Material mit ihm imprägniert ist. Darüber hinaus muss ein Trennmittel gewährleisten, dass die verharzten Bauteile schadensfrei aus den Werkzeugen entfernt werden können – ohne jedoch die Verbindung zwischen Faser und Harz zu beeinträchtigen. Diese Widersprüche gleichzeitig zu lösen und zu realisieren, ist sehr komplex. Die BMW Group hat hier eigene Prozess-, Werkzeug- und Anlagenkonzepte entwickelt, die diesen Zielkonflikt lösen und eine hohe Produktivität bei gleichzeitig sehr hoher Qualität ermöglichen.

Das Imprägnieren des Geleges mit Harz ist ein Prozess, in dem ungefähr zehn Einzelstoffe und Materialien sich einerseits verbinden und andererseits auf keinen Fall miteinander reagieren sollen. Darüber hinaus muss der Verbund aus Kohlenfasergelege, Harz, Härter, Binder, Nähgarn, Trennmittel und weiteren Materialien sowohl auf großer Fläche als auch auf mikroskopischer Ebene zustande kommen. Hierin liegt die übergeordnete Herausforderung bei der Arbeit mit dem Faserverbund, denn der Werkstoff ist nur so gut wie die Verbindung zwischen Harz und Faser.

Endbearbeitung – Feinschliff mit dem Wasserstrahl.

  Kohlenstofffasergelege

Kohlenstofffasergelege

 

Nach der Harzinjektion und dem Aushärten ist das Bauteil nahezu fertig. Lediglich Feinarbeiten wie das saubere Zuschneiden der Bauteilkontur sowie das Einbringen noch fehlender Öffnungen sind noch zu erledigen. Diese Endbearbeitung leistet bei der BMW Group eine Wasserstrahlschneidanlage. Da das fertige CFK-Bauteil nach dem Harzen bereits seine volle Stabilität und damit auch Widerstandsfähigkeit besitzt, kämen herkömmliche Fräsköpfe bei der Endbearbeitung sehr schnell an ihre Grenzen und müssten aufgrund des hohen Verschleißes oft ausgetauscht werden. Wasserstrahlschneiden dagegen ermöglicht verschleißfreies Schneiden und Bohren, muss jedoch für das Bearbeiten von CFK modifiziert werden. Entsprechend hat die BMW Group dieses Verfahren weiter optimiert.

„Durch unsere ausgereiften Produktionsverfahren sind wir in der Lage, das Bauteil exakt so zur Verfügung zu stellen, wie der Konstrukteur es will und das Produkt es braucht.“ (Andreas Reinhardt)

Recycling – aus Verschnitt wird ein neues Strukturbauteil.

Doch die BMW Group denkt auch über den Produktzyklus hinaus und hat im Laufe der Entwicklungsarbeiten verschiedene Recycling- und Verwertungskonzepte erarbeitet und bewertet. Bisher waren die Reste des hochwertigen Materials nicht optimal zu nutzen. Nun aber hat die BMW Group ein weltweit einmaliges Recyclingkonzept für sortenreine Produktionsabfälle bis zur Serientauglichkeit entwickelt. Ein wesentlicher Anteil der Fasern kann damit wieder in die Prozesse eingebracht werden. Durch ein spezielles Aufbereitungsverfahren entsteht wieder ein Textil, das sogar Primärfaserbedarf substituieren kann. Die Wiederverwendung lohnt sich gleich doppelt, denn weniger Abfall bedeutet einerseits niedrigere Umweltbelastung und andererseits geringeren Bedarf an neu produziertem Material.

CFK-Dach BMW M3: Fasernaufbau

CFK-Dach BMW M3: Fasernaufbau

 

„Wir haben uns als Ziel gesetzt, den Verschnitt, der in den Produktionsprozessen anfällt, in unseren eigenen Produkten hochwertig wieder einzusetzen.“ (Andreas Reinhardt)

Ökologische Nachhaltigkeit drückt sich bei der BMW Group im Bereich CFK nicht nur durch Recycling aus. Schon bei der Produktion der Carbonfaser achtet die BMW Group im Rahmen des Joint Ventures mit SGL ACF (Automotive Carbon Fibers) darauf, dass die erforderliche Energie im neuen Werk in Moses Lake (USA) ausschließlich regenerativ gewonnen wird. Auch in der Energieeffizienz wird das Werk Maßstäbe setzen.

Ganzheitliche Herangehensweise für ein optimales Ergebnis.

Alle Prozesse, Materialien, Anlagen und Werkzeuge wurden von den Entwicklern und CFK-Experten in den letzten zehn Jahren so weit entwickelt, dass nun eine Großserienproduktion von CFK-Bauteilen möglich ist. Dabei hatten die CFK-Spezialisten stets die gesamte Prozess- und Wertschöpfungskette im Blick. Von der Faserproduktion bis hin zum Recycling hat die BMW Group bisher einzigartigen Einfluss auf sämtliche Prozesse. Denn nur so ist sichergestellt, dass punktuelle Fortschritte sich auch positiv auf den Gesamtablauf auswirken.

Von Anfang an auf Serienproduktion ausgerichtet.

Durch die stete Erhöhung der Stückzahlen und die Entwicklung innovativer Verfahren verfügt die BMW Group mittlerweile über einen großen Erfahrungsschatz in Form von Mitarbeitern, Werkzeugen und Prozess-Know-how. Möglich wurde dieser hohe Grad an Expertise jedoch nur, da von Beginn an der Einsatz von CFK in der industrialisierten Großserienproduktion angestrebt wurde. Die BMW Group begreift CFK nicht nur als fahrzeugspezifische Nischenanwendung, sondern als zukunftsweisende Technologie im Automobilbau. Deshalb hat man von Beginn an viel in Eigenleistung investiert, Mitarbeiter wie Prozesse im Haus befähigt und konsequent weiterentwickelt. Durch die hohe Selbstständigkeit und den hohen Anteil an Eigenleistung über den gesamten Produktionsprozess ist die BMW Group zudem kaum von äußeren Faktoren abhängig. Wie ausgereift der Produktionsprozess dadurch ist, zeigt sich vor allem in der hohen Qualitätsgüte der produzierten Bauteile.

„Grundlage für die Industrialisierung von CFK ist nicht, die Qualität nachträglich zu prüfen, sondern diese zu produzieren.“ (Jochen Töpker)

Quelle: BMW Pressemappe vom 02.07.2010

 

Das könnte Sie auch interessieren:

interner Link BMW Group: Megacity Vehicle startet 2013 (News vom 22.04.2010)

interner Link Rede von Dr. Friedrich Eichiner, in Seattle zum Standort neues Carbonfaserwerk (News vom 06.04.2010)

interner Link SGL Group und BMW Group: Neues Carbonfaserwerk wird in Moses Lake / USA errichtet (News vom 06.04.2010)

interner Link BMW Bilanz-Pressekonferenz: Rede von Dr. Norbert Reithofer, Vorsitzender des Vorstands der BMW AG (News vom 17.03.2010)


 

Bitte empfehlen Sie diesen Artikel weiter:


 

 
 

 Kommentare zur Meldung: 0
Ihr Name:
 


Anzeige
 
 
Netzwerk
 
Bitte folgen Sie uns:
 
7-forum.com bei Facebook7-forum.com bei google+
7-forum.com bei YouTube7-forum.com bei Twitter
7-forum.com News im RSS Feed
 
Neu: 7-forum.com auf google+
 
 
News im Kontext

BMW Group: Megacity Vehicle startet 2013

 

Rede von Dr. Friedrich Eichiner, in Seattle zum Standort neues Carbonfaserwerk

 

SGL Group und BMW Group: Neues Carbonfaserwerk wird in Moses Lake / USA errichtet

 

BMW Bilanz-Pressekonferenz: Rede von Dr. Friedrich Eichiner, BMW AG Vorstandsmitglied, Finanzen

 
 
Aktuelle News

BMW feiert im Samstagsrennen in Zandvoort einen Dreifachsieg.

 

Das Thema: Personelle Vielfalt als Treiber von Innovationen - am 21.09.2017 in der BMW Welt.

 

BMW Concept Z4. Freiheit auf vier Rädern.

 

Achterbahnkurs in den Dünen: BMW Teams bereit für die nächste Runde in Zandvoort.

 

BMW ersetzt CFK-Gelenkwelle in M3/M4 durch eine aus Stahl. Benzin-Partikelfilter angekündigt.

 

Expedition im „Urban Jungle“ für den neuen BMW X2.

 

www.7er.com

  Besucher online: 1 | zurück zur News-Übersicht | zurück zur Startseite   zum Seitenanfang
www.7-forum.com  ·  Alle Rechte vorbehalten  ·  Letzte Bearbeitung dieser Seite: 01.08.2017  ·   Dies ist keine Seite der BMW Group