Felgen mit Korsett vom Fraunhofer-Institut

Man stelle sich vor, der Auto bleibt plötzlich auf einer wenig befahrenen Landstraße liegen. Dabei ist es erst vier Jahre alt. Kein schöner Gedanke. Eine Panne ist teuer. Von der Sicherheitsgefährdung der Insassen ganz abgesehen: Denn Ursache des Defekts waren die vom Autoverkäufer hoch gelobten, extrem leichten Kunststoffräder. Eines davon ist gebrochen. „Solch ein Szenario darf in der Realität natürlich nie passieren“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Andreas Büter vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt. Die Experten dort sind auf Betriebsfestigkeitsprüfungen an Kunststoffen im Allgemeinen und im Besonderen an Kunststoffrädern spezialisiert.

Um die Grundlagen für die Fertigung leichter und dennoch sicherer und zuverlässiger Bauteile zu legen, haben sie – in Kooperation mit fünf weiteren Fraunhofer-Instituten – das Projekt „Hochfeste Kunststoffstrukturen“ gestartet. „Ziel war es, sowohl die Voraussetzungen als auch die Werkzeuge für eine betriebssichere Auslegung von extrem leichten Sicherheitsbauteilen aus SMC-Material (Sheet Moulding Compound) für die nachhaltige Nutzung in mittleren bis großen Stückzahlen zu ermöglichen. SMC ist ein faserverstärkter Verbundwerkstoff, der hauptsächlich aus anorganischen Bestandteilen besteht“, erläutert Projektleiter Professor Büter. „SMC wurde bisher nur für Sekundärbauteile im Bereich der Verkleidung etwa für Motorhauben und Heckklappen oder Türen verwendet“, erläutert er. „Unser Projekt sollte klären, ob sich SMC auch für sicherheitsrelevante Primärbauteile wie Autoräder eignet.“ Der Werkstoff SMC ist Metall in mehreren Punkten überlegen: Er ist nicht nur leichter, sondern glänzt auch durch seine gewichtsbezogene Festigkeit. Bei mittleren bis hohen Stückzahlen ist er kostengünstig zu produzieren.

Doch welche Materialeigenschaften haben SMC? Wie sind die Fasern ausgerichtet? Welche Fertigungsverfahren eignen sich zur Verarbeitung? Gibt es Lufteinschlüsse? Welchen Belastungen halten Autoräder aus SMC stand? Diese und weitere Fragen haben die Forscher untersucht. „Auf unseren Prüfständen haben wir zum Beispiel simuliert, wie sich die Räder und Achsen eines Autos auf einer Rüttelstrecke, beim Geradeaus- oder Rückwärtsfahren verhalten und wie lange die Bauteile das aushalten“, berichtet Andreas Büter von den Tests am LBF. Nach drei Jahren Forschungsarbeiten können die Wissenschaftler nun die Ergebnisse präsentieren. Eine wichtige Erkenntnis aus dem Projekt: „Richtig verarbeitet, sind faserverstärkte Kunststoffe sehr schadenstolerant und bei Fahrzeugrädern Aluminium deutlich überlegen“, betonte Büter beim Abschluss des Projekts.

Und wie geht es weiter? Die Forscher würden gerne zusammen mit der Industrie ein einsatzfähiges Rad kreieren, das auf dem entwickelten Prototypen basiert und hohen Belastungen standhält. Es soll über eine lokale Endlosfaserverstärkung verfügen. „Das wäre dann so etwas wie ein stützendes Korsett für die Felge“, beschreibt der Projektleiter die Visionen der Forscher. Einen Prototypen einer solchen Leichtbaufelge ist auf der Messe Composites Europe im September in Essen gezeigt worden. dv