Konstruktionen av lätta fordon kräver att tillverkare kombinerar funktionella metallkomponenter med lätta, mycket hållbar kolfiberförstärkt plast. Fraunhofer-forskare har utvecklat en mängd olika lösningar för sammanfogning av så olika material-och kommer att visa upp sin teknik vid årets Hannover Messe 1-5 april, 2019 med en e-scooter demonstrator (Hall 17, Monter C24).

Oavsett om det är bussar, bilar, skotrar eller cyklar, det verkar säkert att elektromobilitet kommer att driva framtiden. Ett av de största hindren just nu, dock, är hur man ökar fordonets räckvidd - en utmaning som kommer att bero på att göra fordon så lätta som möjligt. Ju lättare fordonet eller transportören är, ju längre energilagring varar. På den här domänen, Kolfiberförstärkt plast, eller CFRP för kort, är det valda materialet - lika starkt som stål och ändå cirka åtta gånger lättare, och till och med tre gånger lättare än aluminium. Den allmänna praxisen är att tillverka enskilda komponenter, fordonsramen till exempel, med CFRP, och foga dem sedan till de funktionella metallkomponenterna med skruvar eller lim. Med andra ord, komponenter som ansluter långa vidder och överföringsbelastningar kan tillverkas med CFRP, medan metall är reserverat för de funktionella komponenterna och fästpunkterna för styrmekanismen, till exempel.

Viktbesparingar på upp till 50 procent

Nu, forskare från Fraunhofer Research Institution for Casting, Komposit- och bearbetningsteknik IGCV vid Technology Center i Augsburg har tagit fram en mängd innovativa nya tekniker för att foga samman konventionellt gjutna komponenter med de som är gjorda av CFRP. Ser man bortom den grundligt etablerade gjuteritekniken, det finns en stor potential i moderna tillverkningstekniker som additiv tillverkning och 3D-utskrift. "Vi har kombinerat de olika nya sammanfogningsteknikerna i en elektrisk scooterdemonstrator. Målet är att minska antalet mekaniska fästpunkter och förenkla sammanfogningsprocessen så mycket som möjligt, "förklarar Dr.-Ing. Daniel Günther, som leder projektet på Fraunhofer IGCV. "Det finns en stor potential i att kombinera metall- och CFRP -komponenter, med en potentiell viktbesparing på upp till 50 procent beroende på del. "

Klämteknik för att ansluta bakhjulsstöd

Bakhjulsstödet på en elektrisk scooter innehåller många delar som är integrerade i dess funktion och, av den anledningen, den är gjord av metall. För att göra det så lätt som möjligt, forskargruppen tillverkade delen av mycket hållbart stål, optimera topologin så att materialet enbart begränsas till de platser det behövs för att stödja funktionen.

För att producera delen, forskare använde en additiv tillverkningsteknik som använder en laserstråle för att bilda komponenter av ett metallpulver. Bakhjulsstödet är anslutet till CFRP-fotbrädan med ett skruvsystem-vilket gör det enkelt att ta bort och demontera för underhåll.

Självhäftande hybridstyrhuvud

Skoterens styrhuvud är en hybridkomponent, med en aluminiumbasram som länkar till fotbrädan bakom och styret på framsidan. Denna del av skotern är full av delar som är integrerade i dess funktion, med en betydande yta att överbrygga mellan. Genom att använda CFRP -delar säkerställs den nödvändiga styvheten. De två olika materialen sammanfogas med hjälp av limning. "När det gäller en baslinjelast, vi antog att en person som vägde hundra kilo utför hopp med skotern. För att stödja den typen av belastning med en ren aluminiumgjuten del, du skulle behöva en enorm mängd material för att säkerställa tillräcklig styvhet, "säger Günther. För att tillverka delen, Günther och hans team började med att analysera det tillgängliga installationsutrymmet. Tumregel, ju mer utrymme som används, ju större tvärsnitt av komponenten-och desto bättre är dess styvhet. Materialet måste hållas så tunt som möjligt, dock, för att säkerställa att komponenten inte blir alltför tung. Lösningen på detta är att använda CFRP i kombination med gjuten metall. Som ett ytterligare steg, forskarna beräknade belastningen på olika punkter i komponenten. Skarvarna har placerats exakt vid de punkter med minst belastning. Styvhet garanteras tack vare utformningen av CFRP -komponenten.

'Fork' -system:Framtidens sammanfogningsteknik

Bärförmågan och hållbarheten för CFRP kommer från fibrerna i den. Här, huvudutmaningen ligger i att överföra kraften som verkar på en komponent så att den absorberas av samma fibrer. Dessutom, ingenjörer måste se till att alla metalldelar är så säkert fastsatta på CFRP -komponenterna som möjligt, utan luckor eller håligheter. Som svar, forskarna har utvecklat en helt ny sammanfogningsteknik - bäst förklarad genom att titta på de inblandade komponenterna. I exemplet med den elektroniska skotern, du har en cylindrisk bit som ansluter till styret, en stålkomponent tillverkad med hjälp av en additiv tillverkningsteknik. Komponentens botten har en platta som fungerar som en bas med små stift som sticker ut från ytan. Forskare överlagrar sedan denna bottenplatta med prepregs för CFRP -komponenten, tillverkad av fibrer belagda med syntetiskt harts. Efteråt, de applicerar vakuum och ökar temperaturen. Hartset omsluter kolfibrerna, rinner nedåt och stänger luckan med metallplattan, härdning för att bilda en självhäftande bindning. Här, inte bara fastnar hartset på plattan, de utskjutande tapparna omsluts också och hålls på plats av fibrerna. Detta låser komponenterna och ger en solid bindning - utan att det behövs skruvar eller ytterligare lim. "Tekniken är snabb, industriklar och kan enkelt skalas upp för massproduktion, säger Günther.

Fraunhofer-forskare kommer att visa upp e-scootern och sammanfogningsteknikerna som beskrivs i denna artikel på Hannover Messe från 1 till 5 april, 2019 (Hall 17, Monter C24). För alla intresserade, det kommer att finnas möjlighet att göra en provkörning och ta reda på mer om design och tillverkning av de enskilda komponenterna.