Nachhaltige Mobilität: mit Leichtbau-Antriebswellen Emissionen senken

Leichtbau ist für eine nachhaltige Mobilität unverzichtbar. So lassen sich mit Antriebswellen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) mit duroplastischer Matrix Emissionen senken. Dennoch ist das Leichtbau- und Ressourceneinsparpotenzial dieser Wellen noch nicht vollständig ausgeschöpft.

Forschende am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (kurz: IAP) entwickeln gerade gemeinsam mit Partnern ein neuartiges, sehr leichtes Antriebs- und Seitenwellensystem für Pkw und Lkw.

Dessen Matrix besteht aus thermoplastischen Materialien.

Die haben einen zusätzlichen Gewichtsvorteil und sind recyclebar.

Am Fraunhofer IAP wird die Automated-Fiber-Placement-Technologie (AFP) eingesetzt, um neuartige, sehr leichte Antriebswellen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen herzustellen. Dank der thermoplastischen Matrix sind die Bauteile wiederverwertbar. Foto: Michael Jungblut

In der Mobilität sind signifikante Anstrengungen erforderlich, um Emissionen weiter zu reduzieren. Antriebswellen aus faserverstärkten Kunststoffen können durch ihr geringes Gewicht den Spritverbrauch von Fahrzeugen verringern und dazu beitragen, Umweltbelastungen zu senken.

In Pkw und Lkw übertragen sie die Kraft vom Getriebe auf die Räder, müssen dabei teils rund um die Uhr hohe Belastungen aushalten.

Daher werden sie meist als mehrteilige Gelenkwellen hergestellt, aus Stahl-, Aluminium oder Titanlegierung.

Entsprechend hoch ist das Gewicht.

Leichte Alternative

Als Alternative stehen aktuell Antriebswellen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff mit duroplastischer Matrix zur Verfügung.

Vorteile

1. durch geringere Dichte und weniger erforderliche Lagerstellen etwa 60 Prozent leichter als ihre metallischen Pendants

2. bessere mechanische Eigenschaften

Trotzdem lassen sie sich bei Gewicht und Recyclingfähigkeit weiter optimieren.

Dieser Aufgabe widmen sich Forschende der Fraunhofer-Projektgruppe 'Zentrum für nachhaltige Leichtbautechnologien' (ZenaLeb), einer Projektgruppe des Forschungsbereichs Polymermaterialien und Composite PYCO am Fraunhofer IAP gemeinsam mit Partnern aus der Industrie.

Felix Kuke, Leiter des ZenaLeb:

„Im ersten Schritt wollen wir gewickelte Antriebs- und Seitenwellen mit duroplastischer Matrix optimieren. Im zweiten Schritt entwickeln wir Wellen mit thermoplastischer Matrix.“

Es ist noch lange nicht am Ende: durch wissenschaftliche Forschung entwickelte moderne Technik macht Motoren in Pkw und Lkw deutlich sparsamer. Foto: Achim Stahn

Verbrauch + CO2-Emissionen runter

Antriebswellen mit duroplastischer Matrix werden derzeit mittels Filament Winding produziert.

Bei diesem Herstellungsverfahren werden mit Harz getränkte Filamente unter Spannung um eine rotierende Achse gewickelt und in einem weiteren Schritt ausgehärtet.

Die geplanten thermoplastischen Antriebs- und Seitenwellen hingegen werden mittels Automated-Fiber-Placement-Technologie (AFP) hergestellt.

Felix Kuke:

„Bei der AFP-Technologie werden Prepregs, also vorimprägnierte Bänder, die Carbonfasern enthalten, mittels eines Lasers erhitzt und anschließend robotergesteuert und vollautomatisiert auf einer sich drehenden Rotationsachse abgelegt. Eine zusätzliche Aushärtung ist nicht notwendig.“

Weitere Vorteile der AFP-Technologie: Die Bänder können während des Vorgangs abgeschnitten und an anderen Stellen abgelegt werden, so sind neue Winkel, Wickelmuster und Formen zu erzielen.

Die Antriebswellen lassen sich also frei umwickeln.

Im Gegensatz zum Filament Winding ist man nicht an vorgegebene Wickelmuster gebunden.

Dies führt zu einem besseren Leichtbaugrad gegenüber den aktuellen duroplastischen Bauweisen, wodurch der Kraftstoffverbrauch laut Berechnungen des Fraunhofer IAP um 0,3 Prozent gesenkt und die CO2-Emissionen für neu zugelassene Pkw und Lkw beträchtlich reduziert werden können.

Im Vergleich zu herkömmlichen Antriebswellen ist eine Einsparung des Gewichts von mehr als 65 Prozent möglich.

Ganzheitliche digitale Überwachung

Von der Herstellung des Grundwerkstoffs bis hin zum Recycling soll alles mithilfe integrierter Sensorik überwacht werden.

Möglich machen es faseroptische Sensoren und Dehnungsmessstreifen, eingewickelt in die Antriebswellen.

Die Prepregs sind mit einem QR-Code versehen.

Der gibt Auskunft über die verwendete Faser und das Matrixsystem.

Das sind entscheidende Faktoren für ein perfektes Recycling.

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