Nachwuchsforscher am KIT konzipierten eine 1,5 kg leichte CFK-Felge, die sich im Renneinsatz in der FormulaStudent bewähren musste – ein typischer CFK-Entwicklungsprozess, wenn auch mit anderen Randbedingungen als in einer automobilen Serie.
Im Rennsport entscheiden oft Millisekunden über Sieg oder Niederlage. Auch bei der Formula Student, einem studentischen Konstruktionswettbewerb für leichte Monoposto-Formelfahrzeuge, geht es unter anderem um die Steigerung der Fahrdynamik, wofür Leichtbau eine wichtige Rolle spielt. Die Kooperation des Formula-Student-Teams KA-RaceIng e.V. mit dem IPEK – Institut für Produktentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zielte nun darauf ab, die bis dato (Rennsaison 2011) eingesetzte, etwa 4 kg schwere Aluminiumfelge durch eine leichtere Felge aus faserverstärktem Kunststoff zu ersetzen. Ein für CFK-Anwendungen typischer Entwicklungsprozess – wenn auch unter anderen Randbedingungen als bei einer automobilen Serie:
Zunächst wurde ein Screening der Wettbewerber bei der Formula Student durchgeführt. Die Auswertung ergab, dass das häufig angewandte Prepreg-Autoklav-Verfahren zwar gute Ergebnisse hinsichtlich Funktion und Gewicht erzielt, jedoch Nachteile im Blick auf die Fertigungskosten aufweist. Für die weiteren Entwicklungsaktivitäten kamen zwei Verfahren mit Harzinjektionstechnik in die engere Wahl, von denen sich der VARTM-Prozess (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding) aufgrund seiner Vorteile für die Herstellung der CFK-Felge durchsetzte. VARTM unterstützt die Harzinjektion durch die Kombination von Vakuum und Druck und ließ geringere Fertigungskosten und -zeiten erwarten als das Prepreg-Autoklav-Verfahren. Das darauf aufbauende Felgenkonzept beinhaltete die Ausarbeitung eines Optimums zwischen Herstellbarkeit (Drapierung, Preforming, Werkzeugkonzept), Stabilität (Speichen-Design) und Kosten (Fasertyp, Faserhalbzeug, Matrixsystem, Schaumkerntechnik).
Das gewählte Fertigungsverfahren prägte den gesamten Auslegungsprozess. Im Unterschied zu einer automobilen Serienentwicklung konnten dabei Lastfälle wie Kollisionen oder Bordstein-Überfahrten vernachlässigt werden, weil die Rennen im Einzelzeitfahren erfolgen. Bei der Entwicklung einer CFK-Felge im Automobilbau wären diese Extremlastfälle jedoch unbedingt zu beachten.
Zur Ermittlung des Laminataufbaus wurden numerische Berechnungsanalysen durchgeführt und dreistufig mit der Software OptiStruct optimiert. Schließlich wurde ein Formwerkzeug konstruiert und prototypisch aus Aluminium gefertigt. Damit ließen sich funktionsfähige Felgen mit hoher Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit fertigen.
Durch Separieren des Laminataufbaus in geeignete Zonen konnte die Herstellbarkeit mehrerer Prototypen weiter verbessert werden. Damit einher ging die Definition der Zuschnittsgeometrien des Mehrschichtenverbundes. Jedoch musste eine geringfügige Reduzierung der Steifigkeit in Kauf genommen werden. Die während der Fertigungsphase im Laminataufbau vorgenommenen Veränderungen und insbesondere die damit verbundenen Faserorientierungen flossen in die FE-Modellierung zurück, um eine korrekte Funktionssimulation sicherzustellen. Das Institut für angewandte Materialien am KIT führte Versuche durch, die eine gute Übereinstimmung mit der numerischen Steifigkeit belegten.
Diese Entwicklungsstrategie ermöglichte es, die Herstellkosten gegenüber dem Prepreg-Autoklav-Verfahren um rund 40 % zu senken. Die damit produzierte und im Rennen bereits eingesetzte CFK-Felge liegt mit ihrer Masse von weniger als 1,5 kg unter dem Durchschnitt der Wettbewerber. Zusammen bringen die vier CFK-Felgen eine Gewichtseinsparung von rund 5 % am Rennwagen.
- Neven Majic Akademischer Mitarbeiter am IPEK am KIT, Projektleiter Felgenentwicklung
- David Roquette, Alexander Hauck, Philip Tellen, Andreas Moser Studentische Mitarbeiter vom KA-RaceIng e.V., Karlsruhe
Die Autoren bedanken sich bei den Sponsoren: Wingsandmore – Faserverbundtechnik, Reisinger Modellbau GmbH, Evonik Industries AG, Gaugler & Lutz OHG, Esterhammer GmbH, Alligator Ventilfabrik GmbH, Münch Chemie-International GmbH, Wolfangel GmbH, Ronal GmbH
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