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OHLF auf der „PIAE 2019“: Hybride Prüfkörper ermöglichen eine frühzeitige Materialauswahl

Erstes erfolgreiches Projekt verbessert die Auslegung des Rotorvergusses in E-Maschinen

Foto: TU Braunschweig

Prüfkörper sollen in Entwicklungsprojekten für Bauteile die Materialauswahl erleichtern, indem sie Untersuchungen zur Vorauswahl von Materialien oder Materialkombinationen ermöglichen. Dabei gilt: Je genauer ein Prüfkörper die späteren Belastungen des Materials im Bauteil abbilden kann, desto früher können Schwachstellen des Materials bzw. der Konstruktion im Entwicklungsprozess erkannt werden. Das wiederum verringert den Bedarf teurer und aufwendiger Versuche an Prototypenteilen, die darüber hinaus wenig statistisch fundiert sind. Neue Wege geht dabei ein erfolgreiches Projekt für hybride Prüfkörper, über das Christian Gundlach, TU Braunschweig, auf dem internationalen VDI Kongress PIAE 2019 (Plastics in Automotive Engineering) berichten wird.

 

Das grundsätzliche Problem: Existierende Prüfkörper sind lediglich in der Lage, die thermische Alterung eines Werkstoffs abzubilden. Gerade im Zuge des Leichtbaus und der fortschreitenden Hybridisierung von Bauteilen sowie bei bestehenden Baugruppen mit hybridem Materialaufbau tritt aufgrund der Δα-Problematik jedoch die thermomechanische Alterung von Werkstoffen über die Lebensdauer in den Vordergrund. „Bislang existierte kein Prüfkörper, der in der Lage ist, diese Form der Alterung effizient abzubilden. Doch ein neuartiger hybrider Prüfkörper soll in Zukunft statistisch abgesicherte Materialtests bereits in frühen Entwicklungsphasen bauteilunabhängig ermöglichen“, erklärt dazu der PIAE-Referent Christian Gundlach. Als erstes praktisches Beispiel für ein Materialauswahlproblem dient die Auslegung des Rotorvergusses einer automobilen E-Maschine, das bereits erfolgreich in der Praxis umgesetzt wurde.

 

Realisiert wurde der hybride Verbundprüfkörper aus zwei großen Teilen: Einem Metalleinleger mit spezieller Form, der einfach in großer Stückzahl produzierbar ist, sowie als zweitem Bestandteil einem Vergusspolymer, das den Einleger nahezu vollständig umgibt. „Dabei soll nicht die komplette Maschine abgebildet werden, stattdessen geht es hier in der Screening-Methode darum, eine Materialvorauswahl vorzunehmen, um den weiteren Entwicklungsaufwand reduzieren zu können“, so Gundlach. Die Alterung der Prüfkörper findet dann mittels eines Thermoschockofens statt, indem eine beschleunigte Alterung aufgrund schneller Temperaturwechsel stattfindet. Weiterhin sind Alterungen mit verschiedenen Umgebungseinflüssen denkbar (z.B. Öl oder hohe Luftfeuchtigkeit), die den realen Einsatz des Bauteils abbilden.

 

Eine Herausforderung stellt im Praxiseinsatz in der E-Maschine dar, dass die Bestandteile unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. „Die thermomechanische Alterung in Folge dieser Belastung wäre mit einem konventionellen Prüfkörper so nicht darstellbar gewesen“, erklärt der Fachmann weiter. Der Hybridprüfkörper jedoch ermöglicht es, mit wenigen Messungen bereits in der frühen Produktentwicklung eine umfassende Menge an Informationen zu erhalten und verschiedene Prüfmethoden gleichzeitig durchzuführen. Fragen bezüglich der Verarbeitbarkeit eines Materials können ebenso untersucht werden, wie die Rissinitiierung und -ausbreitung oder die Haftung des Vergusses am Metalleinleger.

 

Der Genauigkeit in der Herstellung der Prüfkörper ist dabei entscheidend für die Qualität und Vergleichbarkeit der gesamten Testresultate. „Empfehlenswert ist es daher, den Prüfkörper direkt beim Hersteller selbst zu vergießen“, sagt Christian Gundlach. Momentan ist dies noch ein händischer Prozess, der dennoch ausreichend Präzision bietet. Das Ziel lautet gleichfalls, zu automatischen Prozessen zu kommen.

 

Die grundsätzliche Herausforderung bei der Auslegung des Rotorvergusses lautet, Rotorspulen, die mit Epoxidharzen vergossen werden, elektrisch zuverlässig voneinander zu trennen und sie gleichzeitig vor Umwelteinflüssen zu schützen – ganz besonders, da Kupfer sehr reaktiv ist. In E-Maschinen ist zudem die Bandbreite der zu erwartenden Temperaturen sehr hoch, was zusätzliche Anforderungen an Langlebigkeit, Haltbarkeit und stabile Eigenschaften der Bauteile stellt. Die Prüfkörper erlauben in diesem Zusammenhang neue Erkenntnisse über die Verarbeitbarkeit und Dauerhaltbarkeit des Materials. Das erste Projekt ist überaus erfolgreich verlaufen, die Resultate waren statistisch belastbar – im nächsten Schritt soll die Anwendung in weiteren, praxisnahen Projekten des hybriden Leichtbaus eingesetzt werden.

 

Christian Gundlach ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität (TU) Braunschweig. Dort arbeitet und forscht er u.a. in der Open Hybrid Lab Factory (OHLF). Die Mitwirkenden der OHLF entwickeln großserientaugliche Fertigungs- und Produktionstechnologien für die wirtschaftlich und ökologisch nachhaltige Herstellung hybrider Leichtbaukomponenten aus Metallen, Kunststoffen und textilen Strukturen.

 

Gundlach ist zudem Referent auf dem internationalen VDI Kongress PIAE 2019 (Plastics in Automotive Enigneering) am 03.-04.04.2019. Der Titel seines Vortrages lautet: „Anwendung eines hybriden Prüfkörpers zur Auslegung des Rotorvergusses in automobilen E-Maschinen“.

 

(Dieser Text wurde vom VDI Wissensforum verfasst. Sie finden den Originaltext unter folgenden https://www.vdi-wissensforum.de/news/hybride-pruefkoerper-ermoeglichen-eine-fruehzeitige-materialauswahl/.)