Ausgangslage

In Maschinenbau und E-Mobility dominieren bei rotierenden Komponenten von Antriebssträngen metallische Werkstoffe. Begründet liegt dies im langjährigen Konstruktions- und Fertigungs-Know-How hochpräziser, rotierender Komponenten aus Metall.

Prinzipiell eignen sich FKV, speziell CFK, für Antriebswellen bzw. sind FKV für hochtourig laufende Hülsen in Elektroantrieben und Pumpen unverzichtbar, wobei die Präzision bestimmend für die Leistungsfähigkeit und Ressourceneffizienz der Aggregate ist. Für diese Anwendungen ist insbesondere CFK aufgrund der geringen Dichte bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und Festigkeit sowie einstellbarer minimaler thermischer Dehnung prädestiniert.

Ein wesentliches Hemmnis für den Einsatz von FKV im Allgemeinen ist die mangelnde Reife von Herstellungsverfahren zur Erreichung benötigter Toleranzen für hochpräzise Bauteile wie z.B. die Hohlschaftkegelschnittstelle (Rundlauf; Planlauf < 0,002 mm). Die Herstellung rohrförmiger FKV-Grundkörper und Halbzeuge im Wickelverfahren ist industrieller Standard. Diese erreichen jedoch i.a. nicht die geforderten Toleranzen.

Während für metallische Komponenten serientaugliche hochgenaue Schleifprozesse zur Nachbearbeitung existieren, mangelt es an einer etablierten Schleiftechnologie für FKV und insbesondere CFK.

Zentrale Herausforderungen für die schleifende Nachbearbeitung von FKV-Komponenten sind die Lagerung bzw. das Einspannen im Fertigungsprozess, die Ausführung hochpräziser Schnitstellen zu weiteren Antriebskomponenten und die Erreichung sehr enger Bauteiltoleranzen.

Zielsetzung

Ziel des Vorhabens ist es, die Voraussetzungen für serientaugliche Schleifprozesse hochpräziser FKV-Bauteile zu schaffen, um die breite industrielle Anwendung von FKV in ressourcenschonenden Antriebskomponenten (Maschinenbau, Automotive, Aviation) zu ermöglichen. Hierbei wird die gesamte Fertigungsprozesskete (Fertigungssimulation, Halbzeugherstellung, Schleifprozesse) sowie die Nutzungsphase der gefertigten FKV-Komponenten anhand verschiedener Prüfstände und -szenarien sowie Demonstratoranwendungen betrachtet.

Im Vorhaben sollen dabei folgende Ziele erreicht werden:

• Fertigung von FKV-Bauteilen mit hochpräzisen Funktionsflächen (Wellen, Armierungshülsen)
• Entwicklung FKV-gerechter Schleiftechnologie (Spannen langer Wickelrohre und Hülsen unterschiedlicher radialer Steifigkeiten, Schleifwerkzeug, Prozessparameter) zur Erreichung von Maß-/Formtoleranzen und Oberflächenrauheiten im Bereich des Faserdurchmessers auf Innen-, Außen- und Planflächen
• Schleifprozessgerechte Bauteilauslegung mit Laminatoptimierung anhand der Fertigungsparameter
• Prüf- und Messtechnologien sowie entsprechende Hardware zur Sicherstellung der erforderlichen Bauteileigenschaften (Verschleiß, Drehzahlfestigkeit, …)
• Gestaltungsempfehlung für FKV-gerechte Präzisionsschleifmaschinen (Spannvorrichtung, Filterung bzw. Absaugung, Kühlschmierstoffe, Vermeidung elektrochemischer Korrosion)
• Technologiedemonstration an High-Performance-Bauteilen, u.a. CFK-Motorspindel, CFK-Bandagen
• Tribologische Untersuchungen zum Verschleißverhalten
• Ermitlung der CO2-Einsparung in der Fertigungskete und in der Nutzungsphase gegenüber einer Referenzkonfiguration

Vorgehensweise

Als Anwendungsfall wird im Vorhaben die Fertigung von Komponenten elektrischer Antriebe und Motorspindeln aus CFK angestrebt, deren Toleranzanforderungen und funktionale Anforderungen z.B. an Steifigkeit und Festigkeit sowie Verschleißfestigkeit besonderes hoch sind.

Zur Erforschung des Verhaltens der Komponenten unter Betriebsbedingungen und zur Validierung des Einflusses der Fertigungsqualität wird ein Prüfstand zur messtechnischen Untersuchung von CFK-Motorspindelkomponenten entwickelt und in Betrieb genommen. Hierbei ist insbesondere das Verhalten der CFK-Komponenten in Bezug auf die Lagerkräfte von Bedeutung.

Fördergeber

Konsortialpartner