Klappt Leichtbau auch bei tonnenschweren Landmaschinen? Ja, sagt das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover, das im Projekt Agri-Light zusammen mit seinen Projektpartnern ein Carbon-Chassis für den Krone Big X entwickelt hat. Mit ihrem Ansatz wollen sie die CO2-Emissionen im Nutzfahrzeug- und Agrarsektor senken. Dafür greifen sie auf den Strukturleichtbau unter Anwendung spezifischer Materialkonzepte, wie z.B. Faserverbundwerkstoffe zurück. Mit der Konstruktion soll das Chassisgewicht des Feldhäckslers bei gleichzeitig höherer Verwindungssteifigkeit um 50 % gesenkt werden.
Signifikanter Gewichtsverlust
Um größere Felder effizienter bearbeiten zu können, ist die Leistungsfähigkeit landwirtschaftlicher Erntemaschinen in den letzten Jahrzehnten stark gestiegen. Durch die höheren Leistungen der Maschinen hat auch deren Gewicht zugenommen, was Herstellende an die Grenzen der straßenverkehrsrechtlichen Zulässigkeit bringt und Anwenderinnen und Anwender mit stärkeren Bodenverdichtungen und höheren Spritverbräuchen konfrontiert.
Diese Problematik wurde vom IFW zusammen mit den Projektpartnern Krone, M&D Composites Technology und dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK) der TU Clausthal im Forschungsprojekt Agri-Light adressiert. Indem das Chassis des Krone Big X grundlegend neu gedacht in eine Faserverbund-Konstruktion überführt wurde, soll sein Gewicht signifikant reduziert worden sein.
Nutzen der CFK-Monocoque-Bauweise
Besondere Herausforderungen ergaben sich aus den unterschiedlichen Materialeigenschaften von Faserverbunden und metallischen Werkstoffen. Die Auslegung dickwandiger Faserverbundstrukturen war nach Angaben des IFW äußerst komplex, außerdem die Integration des neuen, fasergerechten Designs in die vorhandene Fahrzeugstruktur.
Die neuen Gestaltungsmöglichkeiten der CFK-Monocoque-Bauweise wurden schließlich genutzt, um auch für den Kunden Vorteile zu schaffen. Beispielsweise mit größeren, integrierten Tanks und einer vereinfachten Reinigung der Maschine durch geschlossene Oberflächen. Für die Auslegung haben das IFW und das PuK außerdem eine Reihe verschiedener Harzsysteme untersucht. Ziel war es, die optimale Matrix für die Anwendung und das Herstellungsverfahren mittels Vakuuminfusion ohne Autoklaven zu finden. Um die Finite-Elemente-Simulation durchzuführen, kam Ansys Composite Pre Post zum Einsatz. Es wurden sowohl Schalenmodelle der gesamten CFK-Struktur als auch detaillierte Analysen mittels Volumenmodellen erstellt. Basierend auf einem von Krone neu entwickelten Lastkollektiv sollten Konstruktionsanpassungen sowie Verbesserungen im Laminataufbau vorgenommen werden können.
Nur noch halb so schwer
Neben der Gestaltung der Rahmenstruktur hat das IFW auch untersucht, wie hohe Belastungen faserverbundgerecht in die Rahmenstruktur von Nutzfahrzeugen eingeleitet werden können.
Mit dem hybriden Insertkonzept, das optimal für das angedachte Vakuuminfusionsverfahren geeignet sei, sollen – zusammen mit klassischen Verbindungselementen wie Schrauben und Bolzen – erheblich höhere Lasten in die Faserverbundstrukturen eingeleitet werden und zwar so, dass die Vorspannkräfte nicht vom Laminat getragen werden müssen. Das Ergebnis des Entwicklungsprozesses: Ein Carbon-Chassis, das eine Gewichtsreduktion von 50 % im Vergleich zum Stahlrahmen aufweist und dabei eine höhere Rahmensteifigkeit bieten soll.
Prototyp beugt Schäden vor
Im nächsten Schritt soll ein Prototyp des Chassis bei M&D Composites Technology hergestellt werden. Dafür wird, so das IFW, zunächst der Werkzeugbau durchgeführt, gefolgt von der Produktion der einzelnen Schalenbauteile des Monocoques. Anschließend wird dieser Prototyp beim Partner Krone einer dynamischen Strukturprüfung unterzogen, bei der auf dem X-Poster das entwickelte Lastkollektiv abgefahren werden soll. Dabei werden die Ergebnisse der Auslegung sowie die zugrunde liegenden Finite-Elemente-Modelle validiert. Das Hauptziel dieser Untersuchung besteht darin, sicherzustellen, dass sowohl das Chassis auf Basis von Kohlenstofffasern als auch die in stark beanspruchten Bereichen eingesetzten hybriden Inserts über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeugs keine Schäden aufweisen.
Um die Belastungen und Verformungen des Chassis zu erfassen, setzt das IFW ein Messkonzept um, das sowohl Rayleigh- und DMS-Sensoren als auch optische 3D-Messungen einschließen soll. Durch den Entwicklungsprozess konnte das IFW seine Expertise in der Entwicklung und Auslegung von großen Faserverbundstrukturen sowie in der Konzeption anwendungsbezogener Krafteinleitungen nach eigenen Angaben weiter stärken und ausbauen.
Das Projekt wird im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau (TTP LB) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
