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FSAE CFK MONOCOQUE CHASSIS 
PLANUNG UND FERTIGUNG 
EINE WEGLEITUNG FÜR STUDENTEN 
DAVID SCHULER 
BACHELOR‐THESIS AN DER BERNER FACHHOCHSCHULE TI, BIEL 
AUTOMOBILTECHNIK 
26 JUNI 2015 
Zusammenfassung
Diese Arbeit befasst sich mit der Planung und Fertigung eines Formula Student CFK Monocoque Chas-
sis. Die Arbeit zeigt auf, welche Punkte bei der Entwicklung beachtet werden müssen und dient als
Wegleitung für Studenten, welche noch nie zuvor mit Faserverbundwerkstoffen gearbeitet haben.
Dazu wurde versucht, die dafür relevanten Themen aufzugreifen.
Im Rennsport sind Gitterrohrrahmen nach wie vor verbreitet, da sich diese durch gute mechanische
Eigenschaften sowie hoher Kosteneffizienz auszeichnen. Die erforderliche Fachwerkstruktur schränkt
die Gestaltungsfreiheit jedoch ein. Mit einem Monocoque hat man mehr Möglichkeiten, das Fahrzeug-
chassis optisch und aerodynamisch zu optimieren. Zusätzlich kann durch die Verwendung von Kohle-
fasern mit ihrer aussergewöhnlich hohen spezifischen Steifigkeit, das Fahrzeuggewicht gesenkt und
die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.
Während sich das Schweissen als Fügetechnik für Stahl-Gitterrohrrahmen weitgehend etabliert hat,
gibt es für Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen eine Vielzahl unterschiedlicher Fertigungsverfahren.
Die Möglichkeiten wurden analysiert und miteinander verglichen. Als die drei geeignetsten Varianten
haben sich die Vakuuminfusions-, Nasslaminat- und Prepreg-Technik herausgestellt, wobei die beiden
letztgenannten in einem Praxis-Test miteinander verglichen wurden. Mit allen Varianten können me-
chanisch gute Resultate erzielt werden. Die höchste spezifische Steif- und Festigkeit wird durch den
hohen und kontrollierbaren Faservolumengehalt mit dem Prepreg-, gefolgt vom VARI-Verfahren er-
reicht. Das einfache Handling des Prepregs stellte sich ausserdem als ausschlaggebenden Vorteil für
unerfahrene Studenten heraus.
Faserverbundwerkstoffe zeichnen sich durch ihre anisotropen (richtungsabhängigen) Werkstoffeigen-
schaften aus. Deren Berechnung ist aus diesem Grund komplexer als jene von metallischen Werkstof-
fen. Ein sicherheitsrelevantes Bauteil wie das Kohlefaserchassis als Überlebenszelle für den Rennfah-
rer, unterliegt deshalb einer aufwändigen Prüfungs- und Dokumentationspflicht gegenüber der SAE.
Um an einem Rennen teilzunehmen sind Berechnungen und Prüfungen gefordert, welche die Äquiva-
lenz zu einem Gitterrohrrahmen aus Baustahl verifizieren. Als Teil dieser Arbeit wurden die zwei im
Nasslaminier- und Prepreg-Verfahren hergestellten Sandwichpanels im Biegeversuch mit Baustahlroh-
ren verglichen.
Zuletzt spielt die Chassis-Geometrie eine massgebende Rolle beim Entwicklungs- und Fertigungsauf-
wand eines Monocoque-Chassis. Es wird eine Möglichkeit aufgezeigt, wie die komplexe Form im CAD
erstellt werden kann. Anschliessend wurde ein einfaches FE-Modell erstellt und mit 3 Lastfällen be-
rechnet. Die Auswertung zeigte die kritischen Stellen, welche optimiert werden müssen.
Nach dem Durchlesen dieser Arbeit hat man einen Überblick und ist in der Lage, ein SAE-CFK-Monoco-
que-Chassis zu planen und nach Erarbeiten der notwendigen Fähigkeiten, dieses zu entwickeln und zu
fertigen.
Abkürzungen und wichtige Begriffe
FSAE CFK Monocoque Chassis 2
Abkürzungen und wichtige Begriffe
Ablegen sequenzielles Aufbringen flachförmiger Halbzeuge in einzelnen Lagen (Prepreg)
Autoklav Druckofen für die Aushärtung und Kompaktierung von Prepregs
CAD computer aided design
CFK carbonfaserverstärkter Kunststoff
CNC computerized numerical control: elektronische Steuerung von Werkzeugmaschinen
FSAE Formula Student, Society of Automotive Engineers
FVW Faserverbundwerkstoffe
Gelege Fasern sind im Halbzeug übereinander gelegt und fixiert
Gewebe Fasern sind im Halbzeug gewoben
Laminieren Verbinden von trockenen Faser-Halbzeugen mit Harz
MAG Multiaxialgelege: mehrere in unterschiedlicher Richtung orientierte flachförmige
Halbzeuge in Kombination
Matrix Duro- oder Thermoplaste (Harzsystem) welche das Faserhalbzeug zusammenhalten
OoA out-of-autoclave: Aushärtungsverfahren für Prepregs im Ofen ohne zusätzlichen
Druck
Plybook Legebuch, beschreibt die Abfolge der Einzellagen in einem Bauteil
Prepreg preimpregnated fibers: vorimprägniertes Fasermaterial
Prepreg-Tow schmales Prepreg-Band
RTM resin ransfer moulding: Harz wird mit Druck in die Form injiziert
Tack Klebrigkeit bei Prepregs
Tooling Formgebung/Abformen des Bauteils mit Hilfe eines Werkzeugs
Topfzeit Verarbeitungszeit von Harzsystemen
UD unidirektional
Urform Erstform vor und für den Werkzeugbau
VARI Vacuum Assisted Resin Infusion: Harz wird durch Vakuum in die Form infundiert
VARTM Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding: Harz wird durch Vakuum und Druck in
die Form injiziert
Werkzeug Form in welcher das Endbauteil ausgehärtet wird
Inhaltsverzeichnis
FSAE CFK Monocoque Chassis 3
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabenstellung und Struktur ....................................................................................................... 5
2 Planung............................................................................................................................................ 6
2.1 Gründe für ein FVW-Monocoque............................................................................................ 6
2.2 Basiswissen.............................................................................................................................. 7
2.3 Reglement ............................................................................................................................... 7
3 Konzeptwahl.................................................................................................................................... 9
3.1 Geometrie.............................................................................................................................. 10
3.1.1 Freiform......................................................................................................................... 10
3.1.2 Vielflächenform............................................................................................................. 11
3.1.3 Rotationssymmetrisch................................................................................................... 11
3.2 Bauweise ............................................................................................................................... 12
3.2.1 Differenzierte Bauweise ................................................................................................ 12
3.2.2 Integralbauweise........................................................................................................... 13
3.2.3 Sandwichbauweise........................................................................................................ 14
3.3 Fertigungsverfahren.............................................................................................................. 16
3.3.1 Handlaminieren............................................................................................................. 16
3.3.2 Prepreg .......................................................................................................................... 18
3.3.3 Wickeltechnik ................................................................................................................ 22
3.3.4 Infusions-/Injektionsverfahren...................................................................................... 22
3.4 Faserwahl .............................................................................................................................. 23
3.5 Tooling................................................................................................................................... 24
3.5.1 Urform  Werkzeug..................................................................................................... 24
3.5.2 Direkt Werkzeug............................................................................................................ 27
3.5.3 Ohne Form  Hilfsrahmen ........................................................................................... 27
3.6 Punktlastkonzept................................................................................................................... 28
3.6.1 Spanten.......................................................................................................................... 28
3.6.2 Inserts einlaminiert........................................................................................................ 29
3.6.3 Inserts nachträglich ....................................................................................................... 29
3.6.4 Composite-Schrauben/Muttern.................................................................................... 29
Inhaltsverzeichnis
FSAE CFK Monocoque Chassis 4
4 Fertigungssverfahren..................................................................................................................... 30
4.1 Nasslaminat und Prepreg im Praxis-Vergleich ...................................................................... 31
4.2 Panel-Fertigung in Bezug zum FSAE-Chassis ......................................................................... 40
4.3 Prüfung der CFK-Panels......................................................................................................... 41
4.3.1 Prüfbedingungen........................................................................................................... 41
4.3.2 Prüfwerkstücke und Erwartungen................................................................................. 42
4.3.3 FE-Modell Prüfstücke .................................................................................................... 45
4.3.4 Prüfresultate der Werkstücke ....................................................................................... 46
4.3.5 Diskussion der Prüfung der CFK-Panels......................................................................... 48
4.4 Optimierung .......................................................................................................................... 49
5 Chassis-Geometrie......................................................................................................................... 51
5.1 Geometrie-Erstellung ............................................................................................................ 51
5.1.1 Grundform..................................................................................................................... 52
5.1.2 Zeichnen im CAD ........................................................................................................... 53
5.2 FE-Modell .............................................................................................................................. 54
5.3 FE-Lastfälle ............................................................................................................................ 55
5.4 FE-Analyse ............................................................................................................................. 56
5.4.1 4g-Lastfall ...................................................................................................................... 56
5.4.2 Bremslastfall.................................................................................................................. 57
5.4.3 Kurvenlastfall................................................................................................................. 59
5.5 Optimierung .......................................................................................................................... 61
6 Fazit der Studie.............................................................................................................................. 62
6.1 Planung.................................................................................................................................. 62
6.2 Konzeptwahl.......................................................................................................................... 62
6.3 Weiteres Vorgehen................................................................................................................ 66
7 Schlusswort ................................................................................................................................... 67
8 Danksagung ................................................................................................................................... 68
9 Personen........................................................................................................................................ 69
10 Quellenverzeichnis .................................................................................................................... 70
11 Abbildungsverzeichnis............................................................................................................... 71
12 Selbständigkeitserklärung ......................................................................................................... 73
13 Anhang....................................................................................................................................... 74
Aufgabenstellung und Struktur
FSAE CFK Monocoque Chassis 5
1 Aufgabenstellung und Struktur
Die Bachelor Thesis befasst sich mit der Planung und Fertigung eines FSAE-Monocoque-Chassis aus
FVW. Als Basis dient der aktuelle S355-Gitterrohrrahmen der Bern Formula Student (BFS). Diese Arbeit
soll als Wegleitung für zukünftige Studenten und Teammitglieder der BFS dienen. Die Arbeit ist wie
folgt gegliedert:
Planung
Dieses Kapitel zeigt nach den Gründen für ein Monocoque-Chassis, welches Basiswissen für eine er-
folgreiche Entwicklung notwendig ist und inwiefern das SAE-Reglement berücksichtigt werden muss.
Konzeptwahl
In diesem Kapitel werden die verschiedenen konzeptionellen Faktoren nach Kategorien gegliedert auf-
gezeigt, deren Vor- und Nachteile diskutiert und den Bezug zum FSAE-Chassis hergestellt. Es wird auf-
gezeigt wie sich Aufwand und Kosten zusammensetzen, was von Studenten machbar ist und was nicht.
Fertigungssverfahren
Nach einem Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten im Kapitel Konzeptwahl werden hier zwei
mögliche Fertigungsverfahren miteinander verglichen und deren Erkenntnisse auf das FSAE-Chassis
übertragen. Ein 3-Punkt-Biegeversuch der CFK-Panels gibt Auskunft über die mechanischen Eigen-
schaften der hergestellten Panels.
Chassis-Geometrie
Die Geometrieerstellung im CAD eines Monocoques unterscheidet sich grundlegend von jener für ei-
nen Gitterrohrrahmen. In diesem Kapitel wird eine mögliche Herangehensweise aufgezeigt. In einem
zweiten Schritt wird ein FE-Modell erstellt und erste Erkenntnisse daraus gezogen.
Fazit der Studie
Auf Grundlage der vorangegangenen Kapitel wird im letzten Kapitel ein Vorschlag gezeigt, wie das BFS-
Chassis gefertigt werden kann. Ausserdem werden die weiteren nötigen Arbeitsschritte aufgezeigt.
Planung
FSAE CFK Monocoque Chassis 6
2 Planung
2.1 Gründe für ein FVW-Monocoque
Es wird davon ausgegangen, dass man bei der ersten Entwicklung eines FVW-Monocoques bereits Er-
fahrungen mit einem Gitterrohrrahmen gesammelt hat. Der Gitterrohrrahmen folgt der Fach-
werktheorie. Im Idealfall ist jeder Knotenpunkt des Rahmens vollständig durch mindestens 3 Rohre
bestimmt. Ein leichter Rahmen kann mit einer idealen Geometrie und Dimensionierung der Rohre er-
reicht werden. Die Erfahrung zeigt, dass leichte Gitterrohrrahmen von ca. 30 kg erreicht werden kön-
nen. Was spricht also für ein FVW-Monocoque?
Mehr Möglichkeiten der Formgebung
Einem Gitterrohrrahmen sind durch die notwendige Triangulierung der Knotenpunkte in der Formge-
bung gewisse Grenzen gesetzt. Kräfte sollen immer über Knotenpunkte eingeleitet werden. Bei grosser
Komplexität eines Fahrzeugs bzw. bei einer grossen Anzahl an zu verbauenden Komponenten sind
diese Ideale nur schwer einzuhalten. Das FVW-Monocoque bietet hier beträchtliche Vorteile. Dadurch,
dass das Chassis eine einzige Oberfläche ist, können bei entsprechender Konstruktion jegliche Punkte
zur Krafteinleitung realisiert werden.
Zusammenfall von Chassis und Karosserie
Ein Gitterrohrrahmen muss aus mehreren Gründen durch eine Karosserie ergänzt werden. Um den
Fahrer vor eindringenden Gegenständen zu schützen, muss erstens eine geschlossene Schale entspre-
chender Festigkeit um den Gitterrohrrahmen gefügt werden. Zweitens sollen durch diese Karosserie
auch aerodynamische und optische Anforderungen erfüllt werden. Bei einem FVW-Monocoque ent-
fällt also der separate Schritt einer Karosseriefertigung.
Design als Bewertungskriterium
Neben den dynamischen Events machen die statischen Events rund einen Drittel der Bewertung aus.
Ein FVW-Monocoque ist nicht generell besser als ein Gitterrohrrahmen, öffnet jedoch viele Gestal-
tungsmöglichkeiten. Mit einem innovativen und ansprechenden Design können Punkte gesammelt
werden.
Gewicht
Derzeit sind im Teilnehmerfeld FVW-Monocoques unter 15 kg zu finden, was massiv unter dem Tiefst-
wert von aktuellen Gitterrohrramen liegt. Dadurch, dass ein FVW-Chassis aus einer grossen Anzahl von
Schichten zusammengesetzt sein kann, kann die lokale Dimensionierung individuell angepasst werden.
Durch Sandwichbauweise und einzelne Verstärkungselemente kann effektiv Gewicht eingespart wer-
den.
Planung
FSAE CFK Monocoque Chassis 7
2.2 Basiswissen
Da sich ein Chassis aus FVW in allen Belangen massiv von einem Stahl-Gitterrohrrahmen unterscheidet,
ist es unerlässlich sich vorgängig die grundlegenden Kenntnisse über FVW anzueignen. Dabei geht es
noch nicht spezifisch um das FSAE-Chassis, sondern um die generellen Eigenschaften von FVW. Emp-
fehlenswert sind folgende Schritte:
 Werkstoffeigenschaften
Um eine Auswahl des geeigneten Halbzeugs machen zu können, muss studiert werden, welche
Materialien überhaupt erhältlich sind, was deren Eigenschaften sind, wie sie verarbeitet wer-
den können und deren Preis.
 Fertigungsverfahren
Je nach Auswahl des Werkstoffs und der Geometrie kommen spezifische Fertigungsverfahren
in Frage. Diese unterscheiden sich nicht nur im Aufwand und Resultat, sondern auch im Preis.
Dessen Auswahl kann deshalb ein wichtiges Kriterium für ein Team sein.
 Marktanalyse
Um einen Überblick zu erhalten sollen aktuelle Fahrzeuge unter die Lupe genommen werden.
Viele Teams sind bereit, Auskunft über ihr Fahrzeug zu geben
 Eigene Fähigkeit und technische Voraussetzungen kennen
Nicht zuletzt sind die Verfügbarkeit von erforderlicher Erfahrung, Soft- und Hardware entschei-
dend. Neben der menschlichen Komponente ist je nach Konzeptwahl entsprechende Software
erforderlich um Strukturberechnungen von FVW durchzuführen. Je nach Fertigungsverfahren
sind teure Materialien und Geräte notwendig. Diese Voraussetzungen müssen bei der Kon-
zeptwahl unbedingt berücksichtigt werden um spätere Überraschungen zu vermeiden.
2.3 Reglement
Die 2015 FSAE Rules (SAE 2015) legen die Rahmenbedingungen für die Konstruktion und Dokumenta-
tion der FSAE-Rennfahrzeuge fest. Es ist unerlässlich, diese vorgängig zu studieren. Das Reglement wird
in jedem ungeraden Jahr (2015, 2017, …) überarbeitet, kann jedoch auch jährlich kleinere Änderungen
enthalten. Das Dokument umfasst aktuell 178 Seiten in englischer Sprache. Eine umfassende Beschrei-
bung der für das Chassis relevanten Teile ist aus Gründen der Übersicht nicht Teil dieser Arbeit, noch
kann eine Garantie für die Korrektheit der hier übersetzten Teile gegeben werden. Im folgenden Ab-
schnitt sind die wichtigsten Unterschiede zum Gitterrohrrahmen aufgelistet.
 Alternative Frame Rules (AF)
Bei der Konstruktion eines Chassis aus FVW entscheidet sich das Team nicht nach Standardbe-
dingungen zu konstruieren. Statt dessen gelten in diesem Fall die Regeln im Abschnitt AF.
 Benachrichtigung
Das Team muss die Rennleitung bis zu einem vom Event abhängigen Termin über sein Vorha-
ben informieren. Die entsprechenden Voraussetzungen zur Konstruktion und Dokumentation
(FEA-Programme, Kenntnisse und Prüfeinrichtungen) müssen belegt werden.
Planung
FSAE CFK Monocoque Chassis 8
 Structural Requirements Certification Form (SRCF)
Das Team muss termingerecht ein SRCF einreichen. Es ersetzt das Structural Equivalency
Spreadsheet (SES) bzw. Teile des SES werden in das SRCF integriert.
 Werkstoffprüfung und Technische Inspektion
Während beim Spaceframe mit Standardmaterial/Baseline Steel das Vermerken der Rohrdi-
mensionen genügt, müssen für die Hauptstrukturen des Monocoques, Panels hergestellt wer-
den, welche dieselbe Struktur aufweisen, wie das Monocoque in den entsprechenden Berei-
chen des Fahrzeugs. Ausserdem muss das Monocoque so konstruiert sein, dass bestimmte
konstruktive Anforderungen nachvollzogen werden können. Die Test Bedingungen sind im
SAE-Reglement einsehbar oder im Kapitel 4.3 Prüfung der CFK-Panels beschrieben. Die nach-
folgende Liste zeigt, welche Bereiche getestet werden müssen.
Anforderungen (Auszug)
Side Impact Structure 3 Punkt Biegeversuch
Panel 275 mm x 500 mm
Zusätzlicher Test und Vergleich mit 2 Baseline Steel Rohren
Monocoque soll gleich gut oder besser sein
Scherprüfung (Dorn durch Panel)
Panel mind. 100 mm x 100 mm
Front Bulkhead 3 Punkt Biegeversuch
Scherprüfung falls Anti-Intrusion-Plate aus Verbundwerkstoffen ge-
fertigt ist.  Äquivalenz zu 1.5 mm Stahlplatte beweisen.
Front Bulkhead Support 3 Punkt Biegeversuch
Scherprüfung
Main Hoop Verbindung zum Monocoque nachweisen
Front Hoop Falls einlaminiert  Existenz nachweisen
Beckengurt Scherprüfung
Schultergurt Scherprüfung
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 9
3 Konzeptwahl
Der Entwicklungs- und Herstellungsprozess, sowie das Material bestimmen die mechanischen Eigen-
schaften und Kosten des Chassis. Es gibt eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten, wie sich diese
einzelnen Elemente zusammensetzen können. Selbstverständlich wäre es ideal, jeden Prozessschritt
im Detail zu kennen um eine geeignete Auswahl treffen zu können. Da man als Student in der Regel
nicht über die entsprechende Erfahrung verfügt und die Zeit für eine umfassende Analyse fehlt, soll im
nächsten Abschnitt eine Zusammenfassung aufgelistet werden. Das Konzept muss vor Projektstart
festgelegt werden.
In nachfolgender Tabelle sind die Möglichkeiten nach Kategorie geordnet:
Geometrie
Freiform
Vielflächen-
form
Rotationssym-
metrisch
Bauweise
Differenziert
Bauweise
Integralbau-
weise
Sandwichbauweise
Alu-/Aramid-
Waben
Hartschaum Balsa
Spanten
Space-
framestruktur
Fertigungs-
verfahren
Handlaminieren Prepreg
Wickeln
Infusion/
Injektiondrucklos Vakuum Autoklav Ofen/OoA
Fasertyp
Kohle Glas Aramid Polyethylen Basalt
Tooling
Urform  Werkzeug
Direkt Werkzeug
Ohne Form 
Hilfsrahmen1 oder 2-tei-
lige Urform
1 oder mehr-
teiliges Werk-
zeug
Urform-
material
Epoxy
PU-
Hartschaum
MDF
EPS-Dämm-
platte
Werkzeug-
material
Epoxy Kohlefaser MDF
PU-Hart-
schaum
EPS-Dämm-
platte
Punktlast-
konzept
Spanten
Inserts ein-
laminiert
Inserts nach-
träglich
Composite-
Schrauben/
Muttern
Bleche
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 10
3.1 Geometrie
Die Chassis-Geometrie ist eine wichtige Grundsatzentscheidung. Sie hat einen grossen Einfluss auf den
Entwicklungsaufwand und das Fertigungsverfahren.
Freiform Vielflächenform Rotationssymmetrisch
Entwicklungsaufwand Sehr hoch Hoch Mittel
Designmöglichkeiten Sehr hoch Mittel Gering
3.1.1 Freiform
Die Komplexität der Geometrie bestimmt logischerweise auch den Entwicklungsaufwand. Eine Frei-
form im CAD zu zeichnen ist sehr aufwändig. Eine nicht repräsentative Befragung von diversen Teams
hat eine mittlere Entwicklungsdauer von ungefähr 8 Wochen ergeben. Diese Zeit umfasst lediglich das
Design im CAD, ohne Strukturberechnung und Fertigung von Testmustern. Ausgegangen wird von ei-
ner Programm-Erfahrung von 1 – 2 Jahren (Bachelor Student im 5. Semester). Dieser Zeitwert ist selbst-
verständlich auch von der Anzahl Iterationen abhängig, welche von Änderungen des Gesamtfahrzeugs
abhängen.
Die grossen Vorteile der Freiflächenform sind die vielfältigen Designmöglichkeiten und die Aerodyna-
mik. Das Design ist ein wichtiger Faktor, da mit einem ansprechenden Design am Wettbewerb selbst
gepunktet werden kann. Die Judges legen grossen Wert auf ein kompaktes und funktionales Fahrzeug-
design. Ein ansprechendes Design ist ausserdem ein wichtiges Kriterium für Sponsoren, da das Fahr-
zeug als Werbeträger das Team, den Entwicklungsaufwand und den Sponsor repräsentiert.
Freiflächen ermöglichen aerodynamische Optimierungsmöglichkeiten. Eine schmale Fahrzeugsilhou-
ette kann mit Hilfe von Freiformen lokal um Fahrer und Keep-Out-Zones gelegt werden, während es
bei Chassis mit grossen Ebenen und Spaceframes Einschränkungen gibt.
Der grosse Nachteil von Freiformen ist der hohe Entwicklungs-/Designaufwand. Ohne entsprechende
Erfahrung oder ein Vorjahresfahrzeug muss die Geometrie auf viele Annahmen gestützt werden. Das
Zeichnen von Freiformen im CAD erfordert sehr gute Programmkenntnisse. Das darauffolgende Ferti-
gungsverfahren ist nicht minder aufwändig. Das Laminieren von Freiformen erfordert Urformen und
zwei- oder mehrteilige Werkzeuge. Die dafür notwendigen Materialien sind teuer und die Verfahren
sowohl zeit- als auch kostenintensiv durch die benötigte Infrastruktur.
Abbildung 1: Das Fahrzeug der
Auburn University, Alabama
an der FSAE Michigan. Es weist
eine Freiflächenform auf.
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 11
3.1.2 Vielflächenform
Wesentlich einfacher ist die Gestaltung des Chassis durch ebene Flächen. Die Flächen ermöglichen
grosse Zeitersparnisse einerseits zeichnerisch, als auch später in der Fertigung. Durch die Flächen wer-
den selbstverständlich die Design-Möglichkeiten eingeschränkt, was einerseits den grossen Gestal-
tungsvorteil eines Monocoques etwas minimiert und andererseits einen Einfluss auf die Design-Bewer-
tung im FSAE-Wettbewerb haben kann.
Die einzelnen Ebenen können entweder mit vorgefertigten Platten bestückt und die Kanten zusätzlich
laminiert werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Werkzeugs (so hat es OSU ge-
macht). Das Fertigungsverfahren ist in diesem Falle identisch mit dem einer Freiform. Der Vorteil liegt
jedoch darin, dass das Ablegen der einzelnen Gewebelagen wesentlich einfacher geht bzw. grössere
Gewebeflächen auf einmal abgelegt werden können, was zu Zeitersparnis führt. Durch das Fehlen von
engen Radien können auch schwere Gewebe verwendet werden, um einen schnelleren Aufbau zu er-
reichen.
Der Nachteil sind die eingeschränkten Designmöglichkeiten. Das Fahrzeug macht optisch einen min-
derwertigeren Eindruck als sein Freiflächen-Pendent. Dies hatte einen direkten Einfluss auf die Design-
Bewertung des diesjährigen Fahrzeugs der OSU. In der Praxis zeigt sich, dass die meisten Teams einen
Kompromiss zwischen Freiflächen- und Vielflächenform suchen. Somit kann einerseits ein ansprechen-
des und funktionales Design bei moderatem Fertigungsaufwand erreicht werden.
3.1.3 Rotationssymmetrisch
Eine weitere Idee ist die Verwendung der Wickeltechnik für ein Fahrzeug-Chassis. Voraussetzung dafür
ist eine um die Fahrzeuglängsachse vorhandene Rotationssymmetrie. Inwiefern dieses Fertigungsver-
fahren effektiv umsetzbar ist, ist schwer vorherzusagen, da zum jetzigen Zeitpunkt kein Rennfahrzeug
gefunden werden konnte, welches nach dieser Technik hergestellt wurde. Die Geometrie wäre einfach
zu modellieren, jedoch sehr eingeschränkt, was die Design-Möglichkeiten anbelangt. Ausserdem wäre
zu untersuchen, wie die Cockpitöffnung realisiert werden soll.
Abbildung 3: Das 2014-Fahrzeug der Oregon State University
(OSU) wies noch viele Freiformen auf...
Abbildung 2: ...das diesjährige Fahrzeug wurde aus Gründen
des Fertigungsaufwands durch ebene Flächen stark verein-
facht.
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 12
3.2 Bauweise
(Ermanni 2007)
Je nach Werkstofftechnik, Auslegung und Konstruktion, Fertigung und Bewertung bieten sich unter-
schiedliche Bauweisen an. Im Falle eines komplizierten Bauteils wie ein Fahrzeug-Chassis, ist eine Kom-
bination aus verschiedenen Bauweisen denkbar und auch die Regel.
Differenzierte Bau-
weise
Integralbauweise Sandwichbauweise
Halbfabrikat Kosten Gering (Platten)
Mittel/Hoch (Ge-
webe/Gelege)
Hoch (Gewebe/Ge-
lege + Kern)
Fertigungsaufwand Mittel Hoch Mittel bis hoch
Infrastruktur-
Voraussetzungen
Gering Hoch bis sehr hoch Sehr hoch
Designmöglichkeiten Mittel Hoch Hoch
3.2.1 Differenzierte Bauweise
Bei dieser Bauweise verwendet man vorgefertigte Bauteile, welche in der Montagephase zum Endpro-
dukt zusammengefügt werden. Im Falle des FSAE-Chassis kann man CFK-Platten zuschneiden und sie
anschliessend mit einem geeigneten Verfahren zusammenfügen. Es gibt verschiedene Konzepte, wel-
che diese Bauweise nutzen.
Der Vorteil der differenzierten Bauweise ist, dass die Fertigungskosten der einzelnen Bauteile in der
Regel niedrig sind bzw. dass diese vorgefertigt eingekauft werden können. Der Montageaufwand kann
je nach Konzept hoch sein.
Der Nachteil ist die sehr eingeschränkte Formgebung des Chassis. Fragwürdig ist ausserdem, ob die
geforderten Steifigkeitswerte mit dieser Methode erreicht werden können.
Abbildung 4: Konzept mit gepressten ALUCORE-Sandwichplatten und Alu-Profilen (Schuler 2015)
Abbildung 5: "Cut-and-Fold"-Technik der Edith Cowan University, Australien: Die Sandwichplatte wurde an den Kanten ein-
geschnitten und zum Chassis gefaltet. DXF-Schnittmuster (links) Bildquelle: (Ayres 2010)
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 13
Die Cut-and-Fold-Technik wurde 2010 von der Edith Cowan University in Australien angewendet. Das
Team benutzte Carbon-beschichtete Wabenverbundplatten. Entlang den Chassiskanten wurden die
Platten eingeschnitten und gefaltet. Die Faltstellen wurden anschliessend mit einer zusätzlichen Lami-
natschicht verstärkt. Vorteile dieser Technik sind folgende:
 Konstante Werkstoffeigenschaften, da die eingekauften Panels maschinell hergestellt wur-
den. Unregelmässigkeiten, wie sie beim Handlaminieren vorkommen, können ausgeschlos-
sen werden.
 Einfache Montage, da keine Form hergestellt werden muss.
 Günstige Herstellung, da die Fertigungszeit sehr niedrig ist.
Nachteile:
 Eingeschränkte Möglichkeiten in der Geometrie
 Optik
 Inserts können nicht faserzerstörungsfrei integriert werden
3.2.2 Integralbauweise
Bei der Integralbauweise versucht man in einem einzigen Fertigungsvorgang, alle einzelnen Struktur-
bauteile zusammenzufügen. Die einzelnen Elemente sind dabei meist nicht selbsttragend. Erst im Ver-
bund erreicht das Endprodukt die geforderten Eigenschaften. Dies macht die Integralbauweise zu ei-
nem wichtigen Verfahren zur Verarbeitung von FVW. Die Montagekosten können dadurch gesenkt
werden. Im Flugzeugbau hat sich dieses Verfahren durchgesetzt. Hochfeste- und steife Platten können
durch Spanten oder Spaceframestrukturen miteinander verbunden werden. So können leichte und
trotzdem steife Strukturen erreicht werden.
Der Vorteil ist, dass Verbindungsstellen, welche in der Konstruktion oft ein Schwachpunkt sind, auf ein
Minimum reduziert werden können. Dies führt ausserdem zu sehr leichten Strukturen. Auch optisch
bietet die Integralbauweise grosse Vorteile, da viele Komponenten unsichtbar und sauber ins Endpro-
dukt integriert werden können.
Der grosse Kostenfaktor sind allerdings Werkzeuge und Infrastruktur. Um die einzelnen Element zu-
sammenfügen zu können, bedarf es einem Gerüst oder einer Form. Je nach Umfang lohnen sich diese
Investitionen bei einem Prototyp nicht. Ausserdem ist es bei der Integralbauweise oft schwierig, im
nachhinein Anpassungen zu machen.
Abbildung 6 Links: Die Ecole De Technologie Superieur aus Kanada verwendet eine Spaceframestruktur mit einem Sand-
wichaufabau. Rechts: Eine Rippe aus Rohacell-Schaum. (Kunststoff Web 2015)
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 14
3.2.3 Sandwichbauweise
Die Sandwichbauweise dürfte aus verschiedensten Bereichen der Konstruktion bekannt sein. Es ist ein
nicht wegzudenkendes Verfahren im Leichtbau. Hohe Biegesteifigkeiten können durch die Verbindung
von hochsteifen und –festen Deckschichten mit einem schubsteifen Kern erreicht werden. Das in der
Regel sehr leichte Kernmaterial sorgt für einen genügend grossen Faserabstand der Deckschichten. Die
Sandwichbauweise kann auch in Kombination mit anderen Bauweisen verwendet werden. So ist bei
einem FSAE-Chassis ein lokal individueller Kernaufbau realisierbar. Als Kernmaterial eignen sich sowohl
Wabenplatten aus Aluminium oder Aramid, als auch Hartschäume oder das Naturmaterial Balsa. Die
Kernmaterialien unterscheiden sich einerseits in der Drapier- und Umforbarkeit: Nicht jedes Kernma-
terial lässt sich auf jede Kontur abformen. Andererseits gibt es weitere Eigenschaften wie Gewicht,
Wärme- und Schalldämmung, Schlag- und Splitterschutz sowie Brandschutz. (Ermanni 2007)
Abbildung 8: Das Aluminium Monocoque der Tennessee Tech University verwendet als Kernmaterial einen Schaumstoff zwi-
schen den Alublechen.
Abbildung 7: Der VTM15 des Virginia Tech verwendet einen Aluminiumwabenkern im Front Bulkhead
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 15
Die Sandwichbauweise bietet sich in Verbindung mit FVW geradezu an. Diese Technik macht es mög-
lich, die in den Deckschichten verwendeten Fasern auf Zug/Druck und den Kern auf Schub zu bean-
spruchen. Das Fahrzeugchassis kann je nach Anforderungen in verschiedenen Regionen eine unter-
schiedlich starke Sandwichstruktur aufweisen, um das Gesamtgewicht weiter zu minimieren und die
Steifigkeit zu erhöhen.
Der Nachteil ist der hohe Fertigungsaufwand. Falls keine vorgefertigten Panels verwendet werden,
muss der Kern in die Gewebe integriert, dazu vorbereitet, zugeschnitten und zweckmässig fixiert wer-
den. Ausserdem eigenen sich nicht alle Kernmaterialien gleich gut für sphärische Formen. Bei Sand-
wichstrukturen sind Punktlasten nur mit zusätzlichen Massnahmen einleitbar. Der Kern würde bei
grossen Punktlasten kollabieren, weshalb er verstärkt/substituiert oder die Last grossflächiger einge-
leitet werden muss.
Kernmaterialien
Bei Sandwichbauweisen muss man sich für ein geeignetes Kernmaterial entscheiden:
Alu-Waben2
Aramid-W.3
Rohacell 514
Airex C70.905
Balsa SB1005
Kosten1
[CHF/m2
] 80 100 90 60 55
Dichte [kg/m3
] 83 32 52 100 148
Druckfestigkeit
[N/mm2
]
5,45 1,03 0,9 2,0 9,2
Scherfestigkeit
[N/mm2
]
3,45 0,76 0,8 1,7 2,6
Drapierbarkeit mittel schlecht gut gut schlecht
1
Mittelwerte aus verschiedenen Quellen: (jenny + CO 2015), (suter 2015)
2
Zellgrösse 6,4 mm, Alu 5056 Luftfahrtqualität, 3
Aramid NOMEX Luftfahrtqualität (jenny + CO 2015)
4
(suter 2015),5
(Airex 2014), Alle Datenblätter im Anhang
Die verglichenen Materialien gibt es in unterschiedlichen Typen. Es wurde eine Auswahl getroffen.
Abbildung 9: Die Ecole De Technologie Superieur aus Kanada verwendet vor der Stahl-Anti-Intrusion-Plate einen Aramidkern
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 16
3.3 Fertigungsverfahren
Das Fertigungsverfahren wird einerseits durch die Bauteilgeometrie eingeschränkt/gegeben, anderer-
seits wird es anhand der zur Verfügung stehenden Möglichkeiten gewählt. Je nach Budget, Infrastruk-
tur und Erfahrung kommen die unterschiedlichen Verfahren mehr oder weniger in Frage. Während das
Handlaminieren den meisten ein Begriff sein dürfte, haben sich im Verlaufe der Zeit viele weitere Tech-
niken etabliert. Im nachfolgenden Abschnitt wird auf Verfahren und deren Eignung zur Fertigung eines
FSAE-Chassis eingegangen.
Handlaminieren Prepreg Wickeln Infusion/
Injektion
drucklos Vakuum Autoklav
Ofen/
OoA
Geometrie komplex komplex rotationsähnlich komplex
Löcher/Inserts möglich möglich schwierig möglich
Versteifungen möglich möglich schwierig möglich
Hinterschneidun-
gen
möglich möglich nicht möglich schwierig
Oberfläche mässig gut gut mässig gut
Faserarchitektur beliebig beliebig begrenzt beliebig
Typisches Faser-
volumengehalt
30% -
40 %
50% 65 % 50 % 50 %
Mechanische Ei-
genschaften
niedrig mittel hoch mittel mittel
Quelle: (Ermanni 2007)
3.3.1 Handlaminieren
Das am weitesten verbreitete Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es bereits mit minimalen tech-
nischen Voraussetzungen angewendet werden kann. Die trockenen Gewebelagen werden mit dem
angemischten Harz Lage für Lage benetzt. Das Harz bildet das sogenannte Matrixsystem und hält die
Fasern in Position, während die Fasern hauptsächlich Zug und Druckkräfte übertragen. Dem Matrixsy-
stem kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. (suter 2015)
Matrixsysteme
Matrixsysteme für FVW sind Thermo- oder Duroplaste. Thermoplaste sind wesentlich besser recyc-
lebar, quasi unbegrenzt lagerfähig und nicht toxisch. Auf der anderen Seite haben Thermoplaste aber
auch eine hohe Schmelzviskosität und Kriechneigung, weshalb sie einen zwar ansteigenden aber im-
mer noch geringen Stellenwert in der Verwendung mit FVW haben.
Duroplaste entstehen beim Mischen des Harzes mit dem Härter. Der Vorgang ist irreversibel und führt
nach einer anfangs kautschukartigen Form zu einem Glaszustand. Die Dauer dieses Vorgangs wird als
Gel- oder Gelierzeit bezeichnet. Die Temperatur für die Vernetzung der Moleküle heisst Glasüber-
gangs- oder Einfriertemperatur. Die wichtigsten Duroplaste für FVW sind Polyester- und Epoxydharze.
(Neitzel, Mitschang und Breuer 2014)
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 17
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Vor- und Nachteile der für FVW wichtigsten Matrixsysteme:
Polyesterharz Epoxydharz
+ Harz/Härter-Verhältnis in bestimmtem Be-
reich variabel
+ günstig
+ hohe Eignung für Glasfasermatten
- Harz/Härter-Verhältnis muss genau stim-
men
- teuer
- schlechte Eignung für Glasfasermatten
- tiefere Zugfestigkeit:
40 – 80 MPa
- starke Geruchsentwicklung
- schlechte Klebeigenschaften
- schrumpft stärker beim Aushärten
+ höhere Zugfestigkeit:
45 – 85 MPa
+ geruchslos
+ gute Klebeigenschaften
+ schrumpft kaum beim Aushärten
+ hohe Hydrolyse-Beständigkeit
(fiberglas-discount.de 2015)/ (Neitzel, Mitschang und Breuer 2014)
Die Verarbeitungs- oder Topfzeit der Matrixsysteme kann durch Zugabe des Härters beeinflusst wer-
den. Damit ändern sich auch die Härtungsparameter. Nachfolgend ein Auszug aus der Tabelle des in
Kapitel 4.1 verwendeten Epoxydharz Typ L:
Spezifikation mit Härter L S SF EPH 161
Topfzeit 40 Min 20 Min 15 Min 90 Min
Mischverhältnis (Gewicht) 100:40 100:40 100:20 100:25
Mischverhältnis (Volumen) 100:45 100:45 100:21 100:28
Viskosität (25°C/mPas) 320 370 1200 179
Entformbar nach (20°C) 10 h 9 h 6 h nein
Aushärtungszeit (20°C) 20 h 20 h 12 h 20h + tempern
(OCP 2015) (suter 2015)
Das Matrixsystem wird demnach anhand der Verarbeitungszeit und Bauteilgrösse/-geometrie gewählt.
Ausserdem ist die Wärmebeständigkeit des fertigen Bauteils ebenfalls abhängig vom Harz und gege-
benenfalls einem anschliessendem Tempern.
Handlaminieren drucklos
Für das drucklose Handlaminieren eigenen sich bereits sehr günstige formgebende Werkzeuge ohne
spezielle Anforderung an deren Festigkeit. Eine entsprechende Oberflächenbehandlung ist aber in je-
dem Fall notwendig, für die Oberflächengüte und um das Bauteil nach dem Aushärten entformen zu
können.
Durch die fehlende Kompression des Laminats und ohne Absaugen des überschüssigen Harzes sind nur
niedrige Faservolumengehalte erreichbar. Dies bedeutet im Vergleich zu anderen Verfahren ein höhe-
res Gewicht bei gleicher Festigkeit bzw. eine niedrigere spezifische Steifigkeit des Bauteils.
Sandwichstrukturen sind nur bedingt realisierbar, weil die notwendige Anpressung der Deckschichten
auf den Kern fehlt.
Bei sehr grossen Bauteilen kann ausserdem eine kurze Topfzeit des Harzes zum Problem werden. Bzw.
ist ein Tempern für eine vollständige Aushärtung notwendig, was wiederum höhere Anforderungen an
das Werkzeug stellt.
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 18
Handlaminieren Vakuumpressen
Durch das Verpacken des Laminats in eine luftdichte Folie bzw. einen Sack, kann dieses mit atmosphä-
rischem Druck komprimiert werden und das überschüssige Harz im Vliess aufgenommen werden. Da-
durch können Faservolumengehalte bis 50% erreicht werden.
Auch bei diesem Verfahren ist bei Sandwichstrukturen eine ausreichend starke Verbindung zwischen
Deckschicht und Kern nur mässig gut realisierbar. Dies zeigt sich beim Test der Panels in Kapitel 4.3.
Der Druck kann aber andersherum für einen schwachen Kern auch zu hoch sein. Dann kann mittels
Falschluftventil der atmosphärische Druck angepasst werden.
Bei allen Verfahren des Handlaminierens ist der Arbeitsaufwand sehr hoch. Ausserdem ist einige Er-
fahrung notwendig, um das richtige Verhältnis zwischen Harz und Fasern zu treffen.
3.3.2 Prepreg
Bei Prepregs (pre = vor, im-preg-nated, imprägniert) sind die Fasern bereits mit dem Harzsystem im-
prägniert. Das Anmischen des Harzsystems und das lagenweise Laminieren entfällt deshalb und man
spricht nur noch vom „Ablegen“. Ursprünglich kommt diese Technik aus der Luftfahrtindustrie. Sie hat
sich vor allem aus Gründen der guten Automatisier- und Reproduzierbarkeit, sowie dem hohen Faser-
volumengehalt etabliert.
Prepregs gibt es in verschiedenen Formen:
Halbzeug Eigenschaften
SlitTape/TowPreg
Abbildung 10: Slit-Tape 6,35 mm auf Spule
 Ablage auf komplexen Geometrien
 hohe Steifigkeit und Festigkeit in einer
Richtung
UD-Gewebe
Abbildung 11: UD-Prepreg auf Rolle
 Steifigkeit und Festigkeit vornehmlich in
einer Richtung
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 19
Gewebe
Abbildung 12: Gewebe-Prepreg auf Rolle
 Steifigkeit und Festigkeit in zwei Rich-
tungen
 gute Handhabung/Drapierbarkeit
 unterschiedliche Webstile
 Möglichkeit von Hybridgeweben
MAG
Abbildung 13: Schematischer Aufbau eines Geleges
 Multiaxialgelege
 Steifigkeit und Festigkeit in unterschied-
lichen Richtungen
 Keine Welligkeit
Quelle Tabelle und Abbildungen: (Lengsfeld, et al. 2015)
Eigenschaften von Prepregs
 genau definiertes Faser-Matrix-Verhältnis im Bereich zwischen 2,5% bis zu 1,0%.
 Typischer Faservolumengehalt nach Aushärtung: 60%
 zero-bleed-Prepregs (jüngste Generation) kaum Harzverlust bei Aushärtung
 nur beschränkt lagerfähig bei – 18°C zwischen 6 – 18 Monaten
Prepregs haben deshalb ein Verfalldatum. Nach diesem Datum dürfen die Prepregs nicht mehr
für zertifizierungspflichtige Anwendungen verwendet werden.
 Bei Raumtemperatur sind Prepregs typischerweise bis zu 30 Tage lagerfähig. In der Praxis wird
Buch geführt/die Zeit notiert, sobald eine Prepreg-Rolle aus dem Kühler entnommen wird, bis sie
wieder zurückgelegt wird. So kann ein Einhalten der Outlife-Time sichergestellt werden.
(Lengsfeld, et al. 2015), (OCP 2015)
Verarbeitung von Prepregs
Prepregs können von Hand oder auch automatisiert zu Bauteilen verarbeitet werden. Beim Ablegen
von Geweben wird das beidseitig klebrige Fasergewebe von den Träger-/Trennpapieren gelöst und
in/auf der Form drapiert. Die Klebrigkeit (Tack) bestimmt, wie gut sich ein bereits abgelegtes Gewebe
abheben und neu positionieren lässt. Wichtig ist auch, dass Lufteinschlüsse vermieden werden. Die
Prepregs sollten leicht angedrückt werden. Eingeschlossene Luftblasen können evtl. mit einem Kunst-
stoffspachtel oder durch vorsichtiges Anstechen mit einer Nadel entfernt werden.
Bei komplexen, mehrlagigen Bauteilen kann auch jeweils ein Zwischenvakuum angewendet werden.
Dabei wird das ganze Bauteil oder werden einzelne Bereiche mit einer Folie abgedichtet und während
10 – 30 min unter Vakuum gehalten. So können beispielsweise bei einem Sandwichaufbau die unter-
sten Gewebelagen vorkompaktiert werden, bevor der Kern mit einer Klebeschicht aufgebracht wird.
So können Lufteinschlüsse effektiv vermieden werden.
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 20
Für komplexe Serienbau-
teile wird in der Regel ein
Plybook erstellt und die ein-
zelnen Gewebestücke vor-
gängig zugeschnitten.
Für einen Prototypen wie das FSAE-Chassis würden die einzelnen Plys sinnvollerweise in situ für jede
Lage zugeschnitten. Zur Dimensionierung kann eine Folie genutzt werden, welche provisorisch im
Werkzeug positioniert und anschliessend auf das Prepreg übertragen wird.
Aushärtung von Prepregs
Prepregs sind sehr lange haltbar und deren
Matrixsysteme reagieren bis zu 18 Monate kaum.
Auch bei Raumtemperatur härten Prepregs nur
sehr langsam aus. Aus diesem Grund ist zusätzli-
che Wärmeenergie notwendig, um die Gitterver-
bindungen im Harz vollständig aufzubauen. Pre-
pregs werden deshalb typischerweise bei Tempe-
raturen zwischen 115 und 140°C während meh-
reren Stunden ausgehärtet.
Die Aushärtungsparameter werden einerseits
durch die Herstellerangaben der verwendeten
Prepregs festgelegt. Andererseits hat die Bauteil-
geometrie und –grösse, sowie die Form (Material
und Wandstärke) einen grossen Einfluss auf die
Wärmeübertragung auf das Bauteil.
Durch den zusätzlichen Druck können Bauteile
von sehr hoher Qualität hergestellt werden. Der
Autoklav hat den grossen Vorteil, dass alle Bau-
teiloberflächen unabhängig von Grösse und Geo-
metrie denselben Druck erfahren. Ein typisches
Druckprofil ist in der Grafik rechts zu sehen. Ener-
gietechnisch wäre es sinnvoll, möglichst früh
Druck aufzubauen, da die Wärmeübertragung im
Inertgas bei hohem Druck grösser ist. Aus Gründen des hydrostatischen Harzdrucks und der Harzvis-
kosität ist ein korrektes Druckprofil jedoch einzuhalten. (Lengsfeld, et al. 2015)
Abbildung 14: Schnitt-Muster auf ei-
ner Gewebelage (Lengsfeld, et al.
2015)
Abbildung 15: Typischer Härtungszyklus für Prepreg-Bauteile
(Lengsfeld, et al. 2015)
Abbildung 16: Herkömmliches Druckprofil bei der Autoklav-
härtung (Lengsfeld, et al. 2015)
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 21
Ein Autoklav besteht aus folgenden Komponen-
ten:
 Druckkammer
 Steuereinheit
 Heissgaserzeuger
 Vakuumsystem
In der Druckkammer können Drücke von mehre-
ren Dutzend bar aufgebaut werden. Für Prepregs
nutzt man Drücke bis zu ca. 7 bar. Der Maximal-
druck hängt jedoch vom verwendeten Prepreg
und dem Bauteil ab. Eine Sandwichstruktur kann
beispielsweise je nach Kernmaterial nicht mit be-
liebig hohem Druck belastet werden.
Die Steuereinheit kontrolliert das Temperatur- und Druckprofil.
Der Heissgaserzeuger arbeitet in der Regel mit einem Inertgas wie N2 oder CO2. Es wäre auch Luft
möglich, allerdings bestünde dann Brandgefahr bei hohen Temperaturen.
Das Vakuumsystem verfügt in der Regel über mehrere Anschlüsse in der Druckkammer, um separate
Vakua aufzubauen bei komplexen oder mehreren Bauteilen.
Prepregs für das FSAE-Chassis
Wie anfangs Kapitel erwähnt liegt einer der Vorteile von Prepregs bei der guten Reproduzierbarkeit.
Durch das genaue und stabile Faser-Matrix-Verhältnis können mehrere Bauteile gleicher Qualität her-
gestellt werden. Dies ist vor allem bei Serienbauteilen von grosser Bedeutung. Aber auch für ein FSAE-
Chassis ist dies von Bedeutung, da bei einem geprüften Testmustern, die mechanischen Eigenschaften
auf das Chassis übertragen werden können. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Handhabung. Es ist
auch mit wenig Erfahrung möglich, nach Anleitung eine gute Bauteilqualität zu erreichen, während
beim Nasslaminieren die Erfahrung von viel grösserer Bedeutung ist. Bei sauberem Ablegen der Ge-
webe und korrektem Aushärtungsprozess sind die mechanischen Eigenschaften des Bauteils wesent-
lich besser zu prognostizieren, da der Harzgehalt bekannt und homogen ist. Es ist mit anderen Verfah-
ren kaum möglich, eine so hohe Bauteilqualität zu erreichen, was die spezifische Steif- und Festigkeit
anbelangt.
Nachteile von Prepregs und explizit des Autoklav-Verfahrens sind die sehr hohen Kosten. Neben dem
Verfahren, ist auch das Halbzeug rund doppelt so teuer wie das trockene Gewebe.
Preis/m2
Carbon-Gewebe Köper, 462, 245g/m2
CHF 26.901
CF-Prepreg Köper, 462, 245g/m2
CHF 56.052
Quelle: (suter-kunststoffe 2015)
Bei Bestellung: 1
von 50m2
(50Lfm auf 100cm-Rolle), 2
von 60m2
(50Lfm auf 120cm-Rolle)
Ofen/Out-of-Autoclave
Es gibt mittlerweile auch Prepregs, welche nicht im Autoklav ausgehärtet werden müssen. Man nennt
diese entsprechend OoA-Prepregs. Der Vorteil liegt auf der Hand, da der teure Autoklav-Aushärtungs-
prozess entfällt. Allerdings können auch nicht ganz die gleich hohen mechanischen Eigenschaften er-
zielt werden. Die längere Aufheizzeit führt zu einer heterogeneren Temperaturverteilung im Bauteil.
Abbildung 17: Autoklav der Firma OCP Kunststofftechnik in
Lyss
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 22
Die Porosität bei im Ofen ausgehärteten Bauteilen liegt zwischen 5 und 10%, während im Autoklav
Werte von 1 – 2% erzielt werden können. (Lengsfeld, et al. 2015)
3.3.3 Wickeltechnik
Der Aufbau einer Wickelapparatur gleicht der ei-
ner Drehbank. Ein Kern wird in der Längsachse auf
eine angetriebene Achse aufgebracht. Anschlies-
send wird dieser gedreht und die Fasern werden
auf den Kern aufgewickelt. Der sich drehende
Kern muss deshalb rotationssymmetrisch sein.
Bei einfachen Formen kann der Kern anschliessend herausge-
zogen werden. Axiale Hinterschneidungen sind realisierbar,
wenn der Kern im Endbauteil verbleibt oder ein verlorener
Kern (wird nach einmaliger Verwendung zerstört) eingesetzt
wird.
Die Wickeltechnik wird hauptsächlich für Bauteile mit axial homogen verteilter Belastung genutzt. So
zum Beispiel für Rohre, Masten, Drucktanks und Silos. Auch Raketenbooster wurden schon mit der
Wickeltechnik gefertigt. Beispiele für Fahrzeugchassis konnten jedoch bis zum jetztigen Zeitpunkt nicht
gefunden werden. (Neitzel, Mitschang und Breuer 2014)
Die notwendige Infrastruktur ist teuer, gerade für grosse Bauteile wie ein Chassis. Ausserdem hat man
bei der Geometrieerstellung viele Einschränkungen, welche mit Ablege- und Laminierverfahren we-
sentlich zweckmässiger realisiert werden können.
3.3.4 Infusions-/Injektionsverfahren
Bei einem Infusions-/Injektionsverfahren wird das Harz ins vorgängig in einer Form drapierte trockene
Halbzeug gebracht und im Anschluss ausgehärtet. Man unterscheidet dabei zwischen dem VARI-Ver-
fahren, bei welchem das Harz mit Hilfe eines Vakuums in/durch das Halbzeug gesogen wird (Infusion).
Weiter gibt es das RTM-Verfahren, bei welchem das Harz mit Druck (Injektion) in das in zwei verschlos-
senen Formen vorliegende Halbzeug gepresst wird. Die Kombination beider Techniken wird als VARTM
bezeichnet. Mit einem offenen Werkzeug wie beim FSAE-Chassis kommt das Infusions-Verfahren in
Frage.
Der grosse Vorteil ist, dass das Gewebe ohne Zeitdruck in der
Form drapiert werden kann. Anschliessend wird es mit einer
Folie luftdicht verpackt und das Harz wird mit Hilfe einer Va-
kuumpumpe aus einem Vorratsbehälter durch das Gewebe
gesaugt. Die Investitionskosten sind aus diesem Grund sehr
niedrig. Die Infusionsdauer ist natürlich abhängig von der Bau-
teilgrösse und Geometrie. Bei einer Chassislänge von rund
zwei Metern sind auch mehrere Infusionspunkte denkbar, bei
einer mittleren Dauer von ca. 30 min. Es ist ein Faservolumen-
gehalt von rund 50% erreichbar.
Abbildung 19: Grundformen der im Wickelver-
fahren herstellbaren Körper (Neitzel,
Mitschang und Breuer 2014)
Abbildung 18: Definition von Umfangs- und Kreuzlagen
(Neitzel, Mitschang und Breuer 2014)
Abbildung 20: Vakuum-Infusionsverfahren
beim Chassis der KIT (KA-Racing 2015)
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 23
Bei sehr grossen oder komplexen Bauteilen sollte die Infusion in mehreren Schritten erfolgen. Bei ei-
nem FSAE-Chassis können in einem ersten Schritt die äussersten Gewebeschichten infundiert werden
und anschliessend der Kern mit Deckschicht. Bei der Infusion von Sandwichstrukturen ist bereits beim
Aufbau auf die Integration von Fliesskanälen zu achten, damit das Harz das Kernmaterial passieren
kann. Durch das Vakuum wird neben dem Harztransport auch noch gleichzeitig das Bauteil durch den
Atmosphärendruck kompaktiert.
3.4 Faserwahl
Obwohl im Titel dieser Arbeit von einem CFK-Monocoque die Rede ist, werden 4 weitere Fasertypen
kurz vorgestellt. Glas-, Kohlenstoff- und Aramid-Fasern gehören zu den verbreitetsten Fasertypen:
Die entscheidenden Unterschiede der Fasern beziehen sich auf die Steifigkeit, die Dichte und den Preis.
Darüber hinaus gibt es noch weitere zu beachtende Faktoren wie die Chemikalienbeständigkeit und
die Schlagfestigkeit. Deshalb gibt es gerade für Anwendungen wie ein Fahrzeugchassis auch Gewebe-
typen, bei welchen zwei Fasertypen gemischt vorkommen. Untenstehende Tabelle zeigt die wichtig-
sten Unterschiede:
Kohle Glas Aramid Polyethylen Basalt
E-Modul längs
x 103
[N/mm2
]
230 – 450 55 – 87 67 – 130 89 – 116 91 – 110
Dichte
[g/cm3
]
1,71 – 1,9 2,14 - 2,55 1,44 - 1,45 1,54 - 1,56 0,97
Preis
[CHF/m2
]
24 – 130 5 – 20 22 – 65 43 – 53 11 – 16
Quelle Werkstoffdaten: (Schürmann 2007), Quelle Preise: (suter 2015)
Die Kohlefaser ist klar der Fasertyp mit den herausragendsten mechanischen Eigenschaften, dies aber
auch zum höchsten Preis.
Fertigt man ein mechanisch gleichwertiges Bauteil mit Glasfasern, hat dies wegen der höheren Dichte
ein höheres Endgewicht. Der Preis von Glasfaser-Halbzeug ist jedoch rund fünfmal niedriger.
Die Aramidfaser (unter dem Markennamen Kevlar bekannt), weist eine geringere Dichte als die Kohle-
faser auf, jedoch auch eine erheblich niedrigere Steifigkeit. Die Aramidfaser weist eine bessere Zähig-
keit auf als ihre Mitkonkurrenten und wird bei schlagbeanspruchten Bauteilen deshalb häufig im Ver-
bund mit Kohlefasern eingesetzt. Die Aramidfaser weist ein besseres Steifigkeitsgewicht als die Glas-
faser auf, ist aber auch teurer.
Die Polyethylenfaser (unter dem Markennamen Dyneema bekannt) liegt mit der Steifigkeit zwischen
Glas und Aramid und ist ebenfalls relativ leicht.
Abbildung 21: Rasterelektronenmikroskop (REM)-Aufnahme der gebräuchlichsten Verstär-
kungsfasern (Schürmann 2007)
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 24
Die Basaltfaser ist eine Faser aus vulkanischem Gestein. Die einzige Naturfaser im Vergleich zeichnet
sich durch eine hohe Temperaturfestigkeit (700°C) und chemische Beständigkeit aus. (Schürmann
2007)
Die Entscheidung des Fasermaterials ist relativ einfach: Falls es finanziert werden kann, kommt die
Kohlefaser für ein Fahrzeug in Frage. Für Bereiche ohne Festigkeitsansprüche oder Verkleidungen mit
nur wenigen Schichten, kann die Glasfaser in Betracht gezogen werden, um Kosten zu sparen. Bei nur
kleinen Mengen dürfte dies keinen grossen Einfluss auf das Endgewicht haben. Aramidfasern kann
man im Verbund für schlagbeanspruchte Stellen in Betracht ziehen.
3.5 Tooling
Unter Tooling ist, im Vergleich zum
Fertigungsverfahren, der formge-
bende Prozess gemeint. Er ist
massgeblich von der Chassis-Geo-
metrie bestimmt und hat auch ei-
nen grossen Zusammenhang mit
dem Fertigungsverfahren. Es wird
grundsätzlich davon ausgegangen,
dass man die hochwertige Oberflä-
che auf der Aussenseite des Chassis will, weshalb das Werkzeug ein Negativ sein muss. Rein technisch
wäre es selbstverständlich möglich, direkt auf eine positive Form zu laminieren/abzulegen, allerdings
wäre die undefinierte Oberfläche dann auf der Aussenseite.
Urform  Werkzeug Direkt Werk-
zeug
Ohne Form 
Hilfsrahmen1-teilig 2-teilig 1-teilig x-teilig
Mögliche
Geometrie-
Komplexität
hoch hoch mittel hoch mittel niedrig
Ofen/Autoklav
möglich
ja ja ja ja ja/begrenzt nein
Arbeitsaufwand mittel hoch mittel hoch niedrig niedrig
Kosten mittel hoch mittel hoch niedrig niedrig
3.5.1 Urform  Werkzeug
Bei dieser Variante wird Das Chassis in zwei Schritten abgeformt. Als erstes wird eine Urform erstellt.
Die Urform entspricht dabei Aussengeometrie des Chassis. Anschliessend wird anhand der Urform ein
Werkzeug hergestellt, mit welchem das Chassis abgeformt wird.
Abbildung 22: Tooling-Konturen (Lengsfeld, et al. 2015)
Abbildung 23: Obere Fahrzeughälfte: Links die lackierte Urform, Rechts das Werkzeug (bereits mit der unteren
Werkzeughälfte verschraubt)
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 25
Urform
Die Urform bildet die Aussengeometrie des Chassis exakt ab. Sie kann entweder manuell geformt wer-
den oder mittels CNC gefräst werden. Sowohl manuell, aber um so mehr mit CNC ist das Formen eines
Positivs einfacher, als dies bei einem Negativ der Fall wäre. Gerade Verengungen und Spalten sind nur
mühsam zugänglich und je nach Dimension und Freiheitsgrad der CNC-Fräse gar nicht machbar. Weiter
stellt sich die Frage ob das Chassis mit nur einer Urform herstellbar ist. Dies wiederum hängt von der
Chassis-Geometrie und der Fräse ab und muss im Einzelfall abgeklärt werden. In den meisten Fällen
wird die Urform jedoch als zweiteilige Variante ausgeführt.
Der grosse Vorteil der CNC-Fräse ist natürlich der geringe ma-
nuelle Arbeitsaufwand. Die Oberfläche des Chassis kann als
.stp-Datei direkt aus dem CAD exportiert werden. Je nach Frä-
sentyp kommt anschliessend noch der Programmieraufwand
der Maschine hinzu. Ein weiterer Vorteil ist, dass wichtige Pe-
ripherie-Positionen wie Fahrwerksaufnahmepunkte, Positio-
nen für Inserts und Gurtbefestigungen direkt mit einer Boh-
rung markiert werden können. So können Stifte eingesetzt
und die Positionen auf das Werkzeug übertragen werden, was
den Arbeitsablauf ungemein erleichtert und die Genauigkeit
massgeblich verbessert.
Der Nachteil einer CNC-Fräse sind hohe Kosten, da viele Arbeiten nicht von Studenten ausführbar sind:
Programmieren 8h à CHF 120.- CHF 960.-
Einrichtung/Vorrichtung CNC 4h à CHF 120.- CHF 480.-
Fräse CNC 5-Achs; Zeit inkl. 1 Mann 8h à CHF 120.- CHF 960.-
Reinigung, Kontrolle, Aufräumen 2h à CHF 120.- CHF 240.-
TOTAL CHF 1‘440.-
Quelle: Berner Fachhochschule, Institut für Holzbau, Tragwerke und Architektur
Ausserdem müssen teils teure Fräsblockmaterialien verwendet werden. Die Wahl des Materials für die
Urform hängt von verschiedenen Faktoren ab. Einerseits vom Handling (Gewicht), von den Endeigen-
schaften und vom Preis.
 Handling
Die Urform muss zum Laminieren des Werkzeugs bewegt und transportiert werden. Bei Voll-
material kann mit einem Gewicht von rund 500 kg gerechnet werden.
 Endeigenschaften
Neben der Fräsbarkeit ist die Oberflächenbeschaffenheit nach dem Fräsen von grosser Bedeu-
tung. Die Fläche sollte sehr hart und dicht sein, damit ein Werkzeug darauf laminiert, ausge-
härtet und wieder entformt werden kann. Bei Ofenaushärtung oder Autoklavverfahren ist
ausserdem die Wärmebeständigkeit, der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Druckstabili-
tät von Bedeutung.
 Preis
Tooling-Blöcke sind sehr teuer. Mit besserem Material kann dafür meist Nachbearbeitungszeit
eingespart werden. Für das FSAE-Chassis müssen etwa 1,5 m3
für eine Kastenform bzw. 3m3
für Vollmaterial eingeplant werden.
Abbildung 24: 5-Achs-Fräse von OCP
Kunststofftechnik in Lyss
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 26
UrformmaterialDämmplatteEPS403
0.60
40
sehrgünstig
schwachemecha-
nischEigenschaften
grosseOberflä-
chennachbehand-
lungnötig
1
(suter2015),
2
(GlobalToolTradingAG2015)
3
(BFH2015)
AlleDatenblätterimAnhang.
MDF3
1.20
750
günstig
gutfräsbar
hoheDichte
grosseOberflä-
chennachbehand-
lungnötig
SikablockM1502
2.502
150
leichtemechanische
Bearbeitbarkeit
sehrgeringeWär-
meausdehnung
SikablockM3302
2.90
240
leichtemechanische
Bearbeitbarkeit
sehrgeringeWär-
meausdehnung
sehrdichtefeine
Oberfläche
sehrgutesstaubar-
mesFräsverhalt
RAKU-ToolWB06-911
8.40
690
sehrfeineOberflä-
chenstruktur
sehrgutfräsbar
guteDimensionssta-
bilität
Wärmeformbestän-
digkeitbis110°C
hoheDichte
Kosten
[CHF/dm3
]
Dichte[kg/m3
]
Eigenschaften
Abbildung25:DasBauteillinkswurde
mitRUKA-ToolCP6100abgeformt,
dasBauteilrechtsmitWB0750.Die
OberflächedesrechtenBauteilsist
deshalbporöser.
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 27
Werkzeug
Beim 2-stufigen UrformWerkzeug-Verfahren wird das Werkzeug mit
Hilfe der Urform hergestellt. Die Vorteile dieser Methode liegen in folgen-
den Punkten:
 aufwändigere Formen realisierbar dank Fräsen von Positiv statt
Negativ
 mehrteiliges Werkzeug möglich
 Kohlefaser als Werkzeugmaterial einsetzbar:
+ identische Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Aushär-
tung im Ofen/Autoklav
+ sehr gute mechanische Eigenschaften (Festigkeit)
+ sehr gute Oberflächenbeschaffenheit
+ Werkzeug mehrmals einsetzbar
Für ein FSAE-Chassis ist das Werkzeug im Idealfall zwei- oder mehrteilig. Ein einteiliges Werkzeug wäre
mit einem verlorenen Kern denkbar, allerdings wird dadurch der Laminier/Ablege-Prozess sehr müh-
sam. Ein mehr als zweiteiliges Werkzeug ist dann erforderlich, wenn Hinterschneidungen nicht vermie-
den werden können. So können die einzelnen Werkzeugteile nach der Aushärtung entformt werden.
3.5.2 Direkt Werkzeug
Wenn die Urform eingespart werden will, kann das Werkzeug auch direkt
in einen Toolingblock gefräst werden. Für die Wahl des geeigneten Mate-
rials kann die Tabelle der Urform zu Hilfe genommen werden. Will man das
Chassis aus Prepreg im Autoklav-Verfahren herstellen oder im Ofen aus-
härten, schränkt dies die Wahl ein und erfordert hochwertigeres und damit
auch teureres Material, wie z.B. Epoxy-Tooling-Block. Die Temperatur und
Druckbeständigkeit ist dann von grosser Bedeutung. Ausserdem kann da-
von ausgegangen werden, dass das Werkzeug bereits nach einem ersten
Aushärtungsprozess im Ofen oder Autoklav, massiv geschädigt wird. Bei
einem FSAE-Chassis, der als Prototyp ein Einzelstück ist, dürfte dies jedoch
kein Problem sein. Viel wichtiger ist jedoch die Beachtung des Wärmeaus-
dehnungskoeffizienten. Sind diese beim Werkzeug und beim Bauteil unter-
schiedlich, so muss dies bei der Dimensionierung des Werkzeugs berück-
sichtigt und einkalkuliert werden.
3.5.3 Ohne Form  Hilfsrahmen
Wenn man komplett auf ein formgebendes Werkzeug verzichten will, kann
man dies mit der Cut-and-Fold-Technik oder einem Hilfsrahmen realisie-
ren. Die vorgefertigten Panels werden mit dem Hilfsrahmen in Position ge-
bracht um die Kontaktflächen miteinander zu verbinden.
Abbildung 26: Werkzeug aus
Tooling-Prepreg
Abbildung 27: Werkzeug-Ne-
gativ aus Ureol-Tooling-Block
der KIT (KA-Racing 2015)
Abbildung 28: Hilfsrahmen aus
Holz bei der Cut-and-Fold-
Technik der Edith Cowan Uni-
versity (Ayres 2010)
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 28
3.6 Punktlastkonzept
Verbundwerkstoffe mit Kohlefasern haben herausragende mechanische Eigenschaften, was die spezi-
fische Steif- und Festigkeit betrifft. Auf der anderen Seite können Zug und Druckkräfte fast aus-
schliesslich nur in Faserrichtung übertragen werden. Bei einem FSAE-Chassis gibt es jedoch diverse
Stellen, bei welchem hohe Scherkräfte wirken. Bei den Fahrwerksaufnahmen oder Gurtbefestigungen
wirken punktuell hohe Kräfte quer zur Faserrichtung. Für diese Stellen müssen deshalb zusätzliche Lö-
sungen gefunden werden.
Spanten
Inserts ein-
laminiert
Inserts nach-
träglich
Composite-
Schrauben/
Muttern
Bleche
Fertigungs-
aufwand
sehr hoch hoch hoch niedrig mittel
Einbauauf-
wand
hoch sehr hoch mittel hoch hoch
globale Ver-
steifung
ja nein nein nein nein
3.6.1 Spanten
Mit Spanten können im Sinne der Integralbauweise vorgefertigte Elemente in die flächigen Sandwich-
strukturen verbaut werden. So können ausgewählte Stellen (z.B. vorderer Überrollbügel und auf Höhe
der Vorderachse) versteift werden. Spanten können aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen
oder ebenfalls aus Kohlefaser gefertigt sein. Die vorgängig gefertigten Spanten werden nach dem La-
minieren der äussersten Gewebelage ins Chassis integriert und fixiert. Zur Fixierung können Klebstoff
und zusätzliche Gewebelagen dienen.
Der Vorteil dieser Methode ist, dass man maximale Steifigkeit
dort erreicht, wo man die Spanten einsetzt und die Kräfte sich
intern im Spant ausgleichen, da der Spant eine geschlossene
Form/Kreis bildet. Ausserdem kann mit der Integralbauweise
der Fertigungsprozess vereinfacht werden. Mit Spanten kön-
nen gleich zwei Ziele abgedeckt werden: Einerseits die globale
Verstärkung des Chassis und andererseits die Verteilung der
Punktlasten auf eine grosse Oberfläche.
Der Nachteil kann das höhere Gewicht sein, je nach verwen-
detem Material. Ausserdem muss die Fertigungsgenauigkeit
des Spants sehr hoch sein, um passgenau ins Chassis einge-
setzt werden zu können. Bei Spanten aus Kohlefasern müssen
dafür eigens Werkzeuge gefertigt werden.
Abbildung 29: Die untere Hälfte eines F1-Mo-
nocoques verstärkt mit Spanten (F1Technical
2004)
Konzeptwahl
FSAE CFK Monocoque Chassis 29
3.6.2 Inserts einlaminiert
Mit Inserts werden Punktlasten effektiv neutralisiert, indem diese durch
ein zusätzliches Bauteil auf eine grössere Oberfläche verteilt werden. Zu-
sätlich wird ein druckschwacher Kern des Sandwichaufbau’s lokal ver-
stärkt. Die Positionierung der Inserts während dem Fertigungsprozess,
kann mittels Verstiftungen oder Gewindehülsen im Werkzeug realisiert
werden. Die Inserts werden nach der äussersten Gewebelage, an den ge-
frästen oder manuell abgemessenen Positionen auf dem Werkzeug justiert
und mit Klebstoff und zusätzlichen Gewebelagen fixiert.
Der grosse Vorteil der Inserts ist, dass diese in diversen Formen individuell
gefertigt werden können. So können einerseits sehr aufwendige, passge-
naue Teile gefertigt werden, andererseits kann das Chassis auch so ausge-
legt werden, dass baugleiche Inserts an verschiedenen Stelle eingesetzt
werden können, womit wiederum Kosten eingespart werden.
Als Nachteil ist der hohe Fertigungsaufwand zu nennen. Ausserdem wird
durch die Inserts das Chassis nicht global verstärkt, sondern lediglich die
Punktlasten neutralisiert.
3.6.3 Inserts nachträglich
Inserts können auch nachträglich verbaut werden. Das fertig ausgehärtete Chassis wird nach dem Aus-
härten an den entsprechenden Stellen aufgebohrt bzw. ausgefräst. Anschliessend wird das Bauteil ver-
klebt und gegebenenfalls mit zusätzlichen Gewebelagen laminiert.
Der Vorteil ist, dass der Fertigungsaufwand ohne einlaminierte Inserts stark vereinfacht wird.
Der Nachteil ist, dass die Fasern bei nachträglichen spanenden Arbeiten zerstört werden, was zu Steif-
und Festigkeitseinbussen führt. Zusätzlich ist die nachträgliche Positionierung wesentlich aufwändiger.
3.6.4 Composite-Schrauben/Muttern
Anstelle von individuell gefertigten Insert-Bauteilen kann auf bereits exi-
stierende Produkte zurückgegriffen werden. Der Einlaminierprozess funk-
tioniert dabei gleich wie bei den Inserts.
Der Vorteil sind die massiv tieferen Kosten.
Der Nachteil ist, dass die Anforderungen mit existierenden Produkten un-
ter Umständen nicht abgedeckt werden können und die Geometriefreiheit
des Chassis einschränken.
Abbildung 30: Insert bei der
Fertigung zwischen Alu-Ho-
neycomb verklebt.
Abbildung 31: Composite-
Schraube/Mutter für ca. CHF
1.- (suter 2015)
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 30
4 Fertigungssverfahren
Die in der Konzeptwahl beschriebenen Fertigungsverfahren bestimmen das FSAE-Chassis bezüglich Op-
tik, Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit und Robustheit. Je nach Wahl des Halbzeugs kommen nur be-
stimmte Fertigungsverfahren und umgekehrt in Frage. Um die Fertigungsverfahren im allgemeinen zu
studieren findet man diverse Fachliteratur. Im Anhang findet man einen Überblick von swiss-compo-
site. Ich werde im nächsten Abschnitt auf zwei für ein FSAE-Chassis in Frage kommende Fertigungsver-
fahren eingehen.
Wie bereits erläutert, ist der Fertigungsprozess bei FVW im Vergleich zu metallischen viel massgeben-
der an der Endqualität des Bauteils beteiligt. Die verschiedenen Möglichkeiten wurden in den Grunds-
ätzen bereits im Kapitel 3 Konzeptwahl behandelt.
Zu Beginn dieses Projekts gibt es verschieden Unklarheiten:
 Wie ist das Handling von Kohlenfasermaterialien?
 Welche Arbeiten sind von Studenten ausführbar? / Wo braucht es Spezialisten?
 Welche Schutzmassnahmen müssen getroffen werden?
 Welche Infrastruktur wird benötigt? (Räumlichkeiten, Maschinen, Hilfsstoffe)
Solche Fragen sind nur unbefriedigend in der Theorie zu beantworten. Aus diesem Grund wurde ein
praktischer Versuch durchgeführt. Mit folgenden Zielen:
 Beantwortung praxisrelevanter Fragen bezüglich Handling und Schwierigkeiten
 Beantwortung der Grundsatzfrage „Nasslaminat oder Prepreg?“
 Einen ersten Anhaltspunkt für einen möglichen Aufbau für das Chassis erarbeiten
 Erstellung eines ersten Test-Panels, so wie es von der SAE gefordert wird
Mit OCP in Lyss wurden zwei Sandwichpanels im vorgeschriebenen Format 500 x 275 mm hergestellt.
Die Dimension kommt aus dem SAE-Reglement. Im nachfolgenden Abschnitt werden die einzelnen
Schritte dokumentiert und miteinander verglichen.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 31
4.1 Nasslaminat und Prepreg im Praxis-Vergleich
Es wurde versucht, zwei vergleichbare Panels in den unterschiedlichen Fertigungsverfahren herzustel-
len. Die Köper-Gewebe des Nasslaminat und Prepregs haben nicht genau identische Flächengewichte.
Die Summe aller Lagen im Panel ist mit 0.5% Unterschied jedoch beinahe identisch.
Nasslaminat
Abbildung 32: Lagenaufbau Nasslaminat
Prepreg
Abbildung 33: Lagenaufbau Prepreg
Werkstoffdatenblätter im Anhang.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 32
Das Gewebe kommt in der Regel auf Rollen zu 60 Meter. Es gibt Rollen bis 200m. Gängige
Rollenbreiten sind zwischen 900 und 1500 mm. (Lengsfeld, et al. 2015) Es wurde mit dem
Cutter und Lineal auf die gewünschte Dimension zugeschnitten. Wichtig ist die
Beachtung der Faserausrichtung, je nachdem, in welchem Winkel, das Gewebe
anschliessend im Bauteil ausgerichtet sein soll. Das Gewebe ist 0°/90° aufgerollt.
Nasslaminat
Das trockene Gewebe kann bei Raum-
temperatur gelagert werden. Es lässt sich
gut abrollen, ist jedoch etwas schwierig
zu drapieren, vorallem bei etwas weniger
steifen Webstilen.
Das Prepreg-Gewebe ist zwischen zwei
Trenn-/Trägerfolien aufgerollt und wird
bei -18°C gelagert. Es ist zwischen 6 und
18 Monaten lagerfähig, bei Raum-
temparatur bis zu 60 Tagen (Outlife-
Time).
Prepreg
Nachdem eine Prepregrolle aus dem
Kühler geholt wird, muss diese zuerst
auftauen, um sie verarbeiten zu können.
Dies kann mehrere Stunden dauern.
Wichtig ist, dass das Gewebe zum
Verarbeitungszeitpunkt keine Kondens-
feuchtigkeit mehr aufweist. Dies gilt auch
für das Zurücklegen in den Kühler, um die
Bildung von Eiskristallen zu vermeiden.
Entweder also unmittelbar nach dem
Herausnehmen wieder einfrieren oder
vollständig auftauen.
Während das Prepreg einfach mit mit einem Cutter zugeschnitten werden kann, ist das
trockene Gewebe etwas labiler. Eine scharfe Klinge ist aber so oder so notwendig.
Für einen geraden Schnitt und um
möglichst wenig Fasern in 0°/90°-
Ausrichtung zu zertrennen, kann ein
Faden zur visuellen Hilfe herausgezogen
werden. Mit einem Klebespray kann eine
feine Klebeschicht auf das Gewebe
gesprüht werden. Das gibt Stabilität und
verhindert das Ausfransen und
Auseinanderfallen des Gewebes.
Das Prepreg-Gewebe hat unten und oben
eine Trennfolie. Dies gibt zusätzliche
Stabilität beim Zuschneiden und
erleichtert das Handling. Je nach
Gewebestärke braucht es jedoch etwas
mehr Kraft als beim trockenen Gewebe.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 33
Nachdem die Glasplatte mit einem Trennmittel eingerieben wurde,
werden die einzelnen Gewebelagen, beginnend bei der äussersten,
Schicht für Schicht abgelegt. Bei einem komplexeren Bauteil, ist es ratsam,
ein Plybook zu führen, in welchem dokumentiert wird, in welchem
Bereich, welches Gewebe mit welcher Faserausrichtung abgeglegt wurde.
Nasslaminat
Das Harz wird mit dem Härter gemischt.
Sehr wichtig ist dabei das richtige Misch-
verhältnis. Anschliessend kommt eine
erste Schicht auf die Glasplatte. Zwischen
jede Gewebelage wird immer eine
Schicht Harz aufgetragen und mit dem
Roller verteilt. Mit einem Entlüftungs-
roller wird die Luft unter dem Gewebe
herausgedrückt um ein möglichst falten-
freies Bauteil zu erhalten.
Das Prepreg-Gewebe wird von den bei-
den Trägerfolien abgezogen und abge-
legt. Für die ersten 5 Gewebelagen kon-
nte eine Stärke von 2,00 mm gemessen
werden.
PrepregAls Richtwert gilt das Gewichtsverhältnis
von Harz zu Gewebe von etwa 1:1. Als
Indiz für eine gute Sättigung dient die
Gewebefarbe. Es wird dünkler/glänzt,
wenn es Harz aufsaugt.
Bevor der Wabenkern positioniert wird,
kommt beim Prepreg eine Klebstofffolie
auf die ersten 5 Gewebelagen. Damit soll
der Kern schubfest mit den Decklagen
verbunden werden.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 34
Der 10mm hohe Aramid-Wabenkern wurde an den Kanten ca. 45° angefast. So kann das
Gewebe im Anschluss bündig und faltenfrei über den Kern abgelegt werden. Ausserdem
wird damit verhindert, dass durch das Vakuum bzw. Autoklav-Druck, der Kern durch
stirnseitige Belastung beschädigt wird.
Durch das Harz auf dem Gewebe kann der
Kern gut positioniert und fixiert werden.
Die angefaste Kante des Wabenkerns ist
oben.
Beim Prepreg kommt der Kern auf die
Klebstoffschicht und wird mit einer
weiteren gedeckt. Die Ecken können für
ein faltenfreies Laminat eingeschnitten
werden.
Nasslaminat
Prepreg
Die oberen 5 Gewebeschichten werden
auf einer separaten Plastikfolie laminiert,
um sie anschliessend auf die mit dem
Kern gedeckten ersten 5 Gewebeschich-
ten zu stürzen.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 35
Die Glasplatte ist rund um das Panel mit
Harz verschmiert und sollte zur anschlies-
senden luftdichten Verschliessung gerei-
nigt werden. Lose Kohlefasern können
ebenfalls entfernt werden. Einzelne
Fransen, die jetzt auf dem Gewebe
liegenbleiben, wären nach dem Aushär-
ten auf der Oberfläche sichtbar, was
jedoch für die strukturelle Bauteilqualität
nicht relevant ist.
Die Glasplatte des Prepregs ist absolut
sauber und es kann ohne Zwischenschritt
direkt weitergeabeitet werden.
Nasslaminat
Prepreg
Es folgt eine Trennfolie (rot). Es trennt das klebrige Laminat vom Rest. Optional wäre ein
Abreissgewebe, das eine definierte Oberflächenbeschaffenheit nach dem Aushärten
erzielt.
Darüber kommt eine Lochfolie/
Perforierter Trennfilm. Dessen Lochgrad
bestimmt, wieviel Harz aus dem Laminat
entweichen kann.
Zuletzt kommt das Vliess/der Bleeder darüber. Er sorgt für ein gleichmässiges Vakuum
auf dem Bauteil und nimmt das überschüssige Harz auf.
Abbildung 34: Vakuumverfahren (suter 2015)
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 36
Um ein möglichst faltenfreies Bauteil zu erhalten, wird dieses luftdicht verpackt. Je nach
Anwendung gibt es verschieden Möglichkeiten. Anschliessend wird die Vakuumpumpe
angeschlossen und die Dichtheit überprüft. Das schwarze Schaufelrädchen dient zur
visuellen Dichtheitskontrolle.
Das Nasslaminat wird mit einer Folie
gedeckt und mit Dichtband verschlossen.
Das Prepreg wird samt Glasplatte in einen
Folienschlauch gelegt. Es wird beidseitig
verschweisst.
Nasslaminat
Prepreg
Der Aushärteprozess wird massgebend vom Harz und Härter bestimmt. Es gibt
Harzsysteme, welche bei Raumtemperatur zwischen 12 und bis zu 72h aushärten.
Andere werden durch Wärme (Tempern) innert weniger Stunden ausgehärtet. Prepregs
erfordern in der Regel Druck zum faltenfreien Aushärten. Es gibt jedoch auch OoA(Out-
of-Autoklav)-Prepregs welche drucklos ausgehärtet werden können. Der Druck und die
Temperatur richten sich nach den Herstellerangaben, bzw. dem Bauteilaufbau und der
Geometrie. Ein weicher/fragiler Wabenkern hält hohen Drücken nicht stand.
Das Nasslaminat wird bei 75 Grad
während 4h ausgehärtet.
Das Prepreg-Laminat wird anschliessend
im Autoklav innert 1h auf 110 Grad
erwärmt und anschliessend während 5h
bei 2bar ausgehärtet.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 37
Nach dem Aushärten wird das Bauteil entformt. Die Folien lassen sich abreissen und das
Bauteil kann dank dem zu Beginn angewendeten Trennmittel mit Klopfen von der
Scheibe gelöst werden. Die Gewebestärke kann an den überstehenden Rändern
gemessen werden.
Nasslaminat
Prepreg
4x 245 g/m2
+ 6x 600 g/m2
= 4580 g/m2
Totale Gewebestärke: 5,82 mm
4x 204 g/m2
+ 6x 630 g/m2
= 4596 g/m2
+ Klebstoff 2x 300 g/m2
= 5196 g/m2
Totale Gewebestärke: 4,04 mm
Das Prepreg-Panel ist dünner als das Nasslaminat, obwohl der Gewebeanteil nur
geringfügig höher und zwei Klebstoffschichten einlaminiert wurden. Dies ist auf den
Autoklav-Druck von 2 bar beim Aushärten zurückzuführen.
Nach dem Zuschneiden auf das Nennmass 500 x 275 ist der Aramidkern sichtbar.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 38
Gewicht: 965,0 g
Stärke: 14,17 mm
Länge: 487 mm
Breite: 272 mm
Gewicht: 1149,0 g
Stärke: 14,00 mm
Länge: 487 mm
Breite: 272 mm
Fazit
Durch die Herstellung zweier identischer Panels in den unterschiedlichen Fertigungsverfahren, konn-
ten die Eigenheiten, Vor- und Nachteile miteinander verglichen werden. Der Festigkeitsvergleich folgt
im Abschnitt „Prüfung der CFK-Panels“. Die untenstehende Tabelle vergleicht die einzelnen Fertigungs-
stufen:
Vorbereitung
Nasslaminat
15 min
 Glasplatte/Form vorbereiten
 Trennmittel anwenden
 Harzsystem anmischen (5 min)
10 min (+ ca. 4h)
 Glasplatte/Form vorbereiten
 Trennmittel anwenden
 Prepreg auftauen (ca. 4 h)
Prepreg
Zuschnitt
15 min
 Klebspray hilfreich
 Leicht zu schneiden
 Schwierig auszusrichten
15 min
 Etwas mehr Druck beim Schneiden
nötig
 Einfach auszurichten dank
Trägerfolie
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 39
Laminieren/Ablegen
45 min
 gut alleine ablegbar
 Richtige Harz-Dosierung notwendig
 Luft muss mit Entlüftungsroller
rausgedrückt werden
 Gewebe braucht etwas Zeit, um Harz
aufzusaugen
 Topfzeit des Harzsystems bestimmt
die Verarbeitungszeit (muss deshalb
speditiv vorangehen)
15 min
 Einfach aber wegen Tack zu zweit
besser ablegbar
Aushärten
Nasslaminat
4h
 Bei Raumtemperatur möglich (24h)
 Um keinen Stress zu haben, wurde
hier ein langsamer Härter gewählt,
weshalb die Aushärtung im Ofen
nötig war
6h
 Autoklav notwendig
Prepreg
Materialkosten CFK:
(Preis/m2
ganze Rolle (suter 2015) (Global Tool Trading AG 2015))
CFK 245g/m2
CFK 600g/m2
CHF 26.10
CHF 23.75
CFK-Prepreg 245g/m2
CFK-Prepreg 600g/m2
CHF 56.05
CHF 75.05
Hält man die beiden fertigen Panels in der Hand wird klar, dass mit beiden Verfahren
sehr gute Resultate erzielt werden können. Eine hohe Oberflächengüte konnte beim
Prepreg durch den Autoklaven und das Vakuum erwartet werden. Beim Nasslaminat
wurde durch das Vakuum eine ebenbürtige Oberflächengüte erreicht. Im Gewicht
übersteigt das Prepreg das Nasslaminat um 19 %, obwohl das Prepreg ein nur 0,5 %
höheres Gewebe-Flächengewicht aufweist. Beim Prepreg kommen noch 2 Klebefilme à
je 300 g/m2
hinzu, womit die Flächengewichtsdifferenz auf 13 % ansteigt.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 40
4.2 Panel-Fertigung in Bezug zum FSAE-Chassis
Die Fertigung der zwei flachen Panels war sehr aufschlussreich und es konnte ein nützlicher Vergleich
durchgeführt werden. Der Abschnitt 4.1 soll auch dazu dienen, einen Eindruck der Verfahren zu erhal-
ten, falls man keine Möglichkeit hat, selbst einen Praxisversuch durchzuführen. Nun geht es darum,
die gewonnenen Erkenntnisse der flachen Bauteile auf das komplexe FSAE-Chassis zu übertragen.
Grösse
Die Grösse ist mit einer ungefähren Bauteiloberfläche von 3m2
im Vergleich zum 0,1375m2
-Panel rund
20-mal grösser. Dies ist für die Laminierzeit von grosser Bedeutung. Beim Nasslaminat kann ein Harzsy-
stem mit entsprechend längerer Aushärtezeit gewählt werden, oder es muss in mehreren Schritten
laminiert werden. Auch beim Prepreg darf die zwar deutlich längere Outlife-Time nicht überschritten
werden.
Geometrie
Bei einem FSAE-Chassis ist die Geometrie natürlich wesentlich komplexer, als bei einem flachen Panel.
Je nach Webart und Gewebestärke ist es nicht möglich, beliebig kleine Radien faltenfrei zu laminieren.
Ein um so grösseres Gewicht erhält diese Eigenschaft, wenn Sandwichstrukturen realisiert werden wol-
len. Grundsätzlich sollte dies bereits bei der Erstellung der Chassis-Geometrie berücksichtigt werden.
Bei kleinen Radien empfiehlt es sich, vorgängig ein Geometrie-Muster anzufertigen, um sicherzustel-
len, dass die Fertigung machbar ist.
Materialwahl
Da es im Gegensatz zu Stahl bei FVW sehr schwierig ist, eine Vorhersage über die Fest- und Steifigkeit
zu machen, wäre es ratsam, sich eine Datenbank mit verschiedenen Faser- und Kernkombinationen zu
erstellen. Die Werkstoffe der Panels wurden auf Basis von externen Erfahrungen gewählt. Im nächsten
Abschnitt werden die Panels geprüft, um eine numerische Bewertung der mechanischen Eigenschaften
Panels zu erhalten.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 41
4.3 Prüfung der CFK-Panels
Mit der Prüfung der CFK-Panels konnten gleich mehrere Ziele auf einen Schlag erreicht werden: Erstens
der Vergleich der Panels untereinander, um herauszufinden, ob es einen Qualitätsunterschied zwi-
schen dem günstigeren Nasslaminat und dem teureren Prepreg gibt. Zweitens um einen ersten An-
haltspunkt für die Dimensionierung des FVW-Aufbaus im FSAE-Chassis zu finden. Zusätzlich konnten
mit dieser Prüfung die in den Alternative Frame Rules vorgeschriebenen Prüfbedingungen für Mono-
coque-Chassis erstmals umgesetzt und getestet werden.
4.3.1 Prüfbedingungen
Beim Bau eines Monocoque-Chassis muss bewiesen werden, dass die Struktur die gleichen sicherheits-
relevanten Eigenschaften aufweist, wie ein Gitterrohrrahmen aus Standardmaterial (Baseline Steel)
(SAE 2015). Die Äquivalenz des CFK-Panels soll für die Knickung, die Biegefestigkeit, die Bruchfestigkeit
und die absorbierte Energie bewiesen werden. Getestet wird mittels 3-Punkt-Biegeversuch, ausgewer-
tet wurde die Biegefestigkeit.
 Panel-Dimensionen 275 mm x 500 mm
(Vorgeschrieben ist eine Panelbreite von
500 mm, jedoch nicht der Abstand der Auf-
lager.)
 Der Biegestempel muss einen Radius von
50 mm aufweisen.
 Gemessen werden Kraft und Auslenkung.
Damit kann auch die Knickung und die ab-
sorbierte Energie errechnet werden.
 Parallel dazu müssen 2 Stahlrohre geprüft
werden, für welche die Äquivalenz bewie-
sen werden soll. Je nach Position im Fahr-
zeug-Chassis, schreibt das Reglement die
Anzahl und die Dimension der Rohre vor, für
welche die Äquivalenz bewiesen werden muss.
Abbildung 35: Prüfvorrichtung nach SAE-Reglement (SAE
2015)
Abbildung 36: Die Auflager und der
Biegestempel wurden wegen den
aussergewöhnlichen Abmessungen
aus einem Aluminiumrundprofil herge-
stellt. Es wurde eine Fläche gefräst
und Gewinde für die Fixierung in der
Prüfmaschine geschnitten.
Abbildung 37: Die Zwick/Roell-Prüfma-
schine der BFH hat einen vertikal ver-
schiebbaren Tisch unten und einen fe-
sten Kraftmesser oben. Die Auflager
haben einen Abstand von 400 mm.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 42
4.3.2 Prüfwerkstücke und Erwartungen
Getestet wurden die beiden CFK-Panels und zwei 25mm-Baustahlrohre mit 2,0 und 2,5 mm Wand-
stärke. Vorgängig wurde ein stark vereinfachtes Modell erstellt, um eine grobe Prognose für die Kraft-
messung und die Auslenkung zu erhalten. Es ging auch darum abzuschätzen, ob das Prüfgerät in der
Lage ist, die Werkstücke zu testen. Zuerst wurde das Widerstandsmoment des Prüfwerkstücks anhand
der Abmessungen. Anschliessend wurden das maximale Biegemoment und daraus die maximale Kraft
im 3-Punkt-Biegeversuch errechnet. Diese Werte wurden mit dem FE-Modell in Siemens NX verglichen.
Widerstandsmoment
Panel Rohr
𝑊 =
𝐵 ∙ (𝐻3
− ℎ3
)
6 ∙ 𝐻
Diese Formel ist eine Annäherung abgeleitet
vom Rechteckhohlprofil, wenn angenommen
wird, dass das Widerstandsmoment einzig
durch die 100% schubfest verbundenen Deck-
schichten zustande kommt. (Schwarzenbach
2014)
𝑊 =
𝜋
32
∙
𝐷4
− 𝑑4
𝐷
WNasslaminat = 5‘647 mm3
WPrepreg = 5‘903 mm3
W25 x 2,0 = 770 mm3
W25 x 2,5 = 906 mm3
Flächenträgheitsmoment
Panel Rohr
𝐼 =
𝐵 ∙ (𝐻3
− ℎ3
)
12
𝐼 =
𝜋
64
∙ (𝐷4
− 𝑑4
)
INasslaminat = 39‘531 mm4
IPrepreg = 45‘016 mm4
I25 x 2,0 = 9‘626 mm4
I25 x 2,5 = 11‘321 mm4
Werkstofffestigkeit/Biegespannung
Panel Rohr
𝑅 𝑒 = 950 − 1100 𝑁/𝑚𝑚2
UD-Gewebe. Werte sind abhängig vom Kette-Schuss-Verhältnis.
𝑅 𝑒 = 560 − 650 𝑁/𝑚𝑚2
Bidirektionale Gewebe (Kette und Schuss sind gleich) Die höheren Werte
werden von Köper- und Atlasgeweben bei optimaler Laminatsqualität er-
reicht. (suter 2015)
Rp,0,2 = 350 N/mm2
E235 + C (EN10305-1)
(Brütsch-Rüegger
2015)
Bei 0°/90°-Ausrichtung könnte man den „worst-case-Wert“ (560 N/mm2
)
annehmen. 2/5 der Lagen sind jedoch 45°/45° ausgerichtet.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 43
Es wurde folgendes Modell erstellt:
Somit haben wir 2x 600/630 g Gewebelagen, welche nur einen Anteil von
1
√2
übertragen können.
Dank dem Epoxyd-Harz können Zugkräfte auch quer zur Faserrichtung
übertragen werden. Das Harz kann ausserdem als homogen beschrieben
werden.
𝑅 𝑒 = 70 − 90 𝑁/𝑚𝑚2
Als Annäherung wurde der geringe-Zugfestigkeits-Anteil des Epoxyd-
Harzes für die Ausrichtung vernachlässigt.
Überträgt man diese Theorie auf das Nasslaminat-Panel erhält man:
𝑅 𝑒 =
245 ∙ 560 + 600 ∙ 396 + 600 ∙ 560 + 600 ∙ 396 + 245 ∙ 560
245 + 600 + 600 + 600 + 245
Beim Prepreg entsprechend:
𝑅 𝑒 =
204 ∙ 560 + 630 ∙ 396 + 630 ∙ 560 + 630 ∙ 396 + 204 ∙ 560
204 + 630 + 630 + 630 + 204
Nasslaminat Prepreg Stahl
𝑅 𝑒 = 474𝑁/𝑚𝑚2
𝑅 𝑒 = 470𝑁/𝑚𝑚2 𝑅 𝑝,0,2 = 350𝑁/𝑚𝑚2
Biegemoment
𝑀 𝐵 = 𝜎 𝐵 ∙ 𝑊
Panel Rohr
MB,Nasslam. =
2‘654‘202 Nmm
MB,Prepreg =
2‘938‘520 Nmm
MB,25 x 2,0 =
269‘589 Nmm
MB,25 x 2,5 =
316‘982 Nmm
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 44
Stempelkraft
𝐹 =
𝑀 𝐵 ∙ 4
𝑙
Panel Rohr
Fmax,Nasslam. = 26,54 kN Fmax,Prepreg = 29,39 kN Fmax, 25 x 2,0 = 2,70 kN Fmax, 25 x 2,5 = 3,17 kN
E-Modul
Panel Rohr
88‘000 kN/mm2
Für dieses Modell des Panels wurden die
Angaben des E-Moduls des Gewebes
genommen. Dies entspricht nicht dem E-Modul
der einzelnen Kohlenstofffaser. Der Kern wurde
nicht berücksichtigt. Das Flächenträgheits-
moment bezieht sich ebenfalls nur auf die CFK-
Deckschichten.
Quelle: (suter 2015)
210‘000 kN/mm2
Durchbiegung
𝑥 𝑚𝑎𝑥 =
−𝐹∙𝑙3
48∙𝐸∙𝐼
bei F = 2kN
Panel Rohr
xmax,Nasslam. = -0,77 mm xmax,Prepreg = -0,67 mm xmax, 25 x 2,0 = -1,32 mm xmax, 25 x 2,5 = -1,12 mm
Diskussion
Während die Berechnung eines Stahlrohrs bereits gut dokumentiert ist und durch den homogenen
Werkstoff einfach nachzuvollziehen ist, bleibt die Genauigkeit beim CFK-Panel fragwürdig. Es wurden
viele Vereinfachungen und Annahmen gemacht, indem der Kern als 100%-schubfest angenommen
wurde und ein genereller Wert für die Festigkeit der Kohlenfasern beim gewählten Webstil gewählt
wurde. Selbstverständlich gibt es sehr viel genauere Methoden, um die mechanischen Eigenschaften
des Panels zu bestimmen. Da jedoch eine grobe Prognose und nicht ein exaktes Rechenmodell gesucht
wurde, rechtfertigt dies die Vereinfachungen.
Die Prognose zeigt, dass die CFK-Panels steifer und um ein vielfaches fester als die zu vergleichenden
Baustahlrohre sein sollten. Allerdings nur, falls die Schubkräfte zu 100% übertragen werden können.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 45
4.3.3 FE-Modell Prüfstücke
Um einen zweiten Anhaltspunkt für die zu erwartenden Kräfte zu erhalten, wurde ein einfaches FE-
Modell der Prüfstücke erstellt. Es wurde ein 3-Punkt-Biegeversuch gerechnet und die Kraft für die ma-
ximale Biegespannung herausgelesen. Für das Rohr wurde mit einem 2D-Gitter gearbeitet. Für das
Panel wurde ein 2D-Gitter für die Deckschichten und ein 3D-Gitter für den Kern verwendet. (Schuler
2015)
Panel Rohr
Nasslaminat 25 x 2,0
Abbildung 38: von-Mises Spannung in der Deckschicht
beim FE-Modells des Nasslaminat
Abbildung 39: von-Mises Spannung des FE-Modells des 25
x 2,0-Stahlrohr
Stempelkraft Fmax = 26,41 kN Stempelkraft Fmax = 2,72 kN
Max. Auslenkung x = 2.00 mm
Prepreg 25 x 2,5
Abbildung 40: von-Mises Spannung in der Deckschicht
beim FE-Modells des Prepreg
Abbildung 41: Auslenkung des FE-Modells des 25 x 2,5-
Stahlrohr
Stempelkraft Fmax = 26,97 kN Stempelkraft Fmax = 3,17 kN
Max. Auslenkung x = 1,975 mm
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 46
4.3.4 Prüfresultate der Werkstücke
Übersicht
Panel Rohr
Nasslaminat 25 x 2,0
Abbildung 42: Nasslaminat-CFK-Panel im 3-Punkt-Biege-
versuch
Abbildung 43: E235 Rohr 25 x 2,0
Stempelkraft Fmax = 4,729 kN Stempelkraft Fmax = 7,587 kN
Prepreg 25 x 2,5
Abbildung 44: Der Kern des Prepreg-CFK-Panels wurde im
Zentrum zerrissen
Abbildung 45: E235 + C 25 x 2,5
Stempelkraft Fmax = 5,339 kN Stempelkraft Fmax = 9,639 kN
Diskussion
Die Prüfung der CFK-Panels zeigte, dass die Realität weit weg vom berechneten Modell liegt. Die ge-
messenen Werte der CFK-Panels liegen um den Faktor 5 unter der errechneten Kraft. Die Annahme
eines 100% schubfesten Kerns war völlig falsch. Es zeigte sich, dass der Kern nach einer Auslenkung
von 7mm zu versagen begann. Beim Nasslaminat löste sich der Kern an der Kontaktfläche zum CFK-
Gewebe. Beim Prepreg zerriss der Kern im Zentrum. Beide Panels zeigten in einem Auslenkungsbereich
zwischen 7 und 60 mm ein plastisches Verformungsverhalten. Danach wurde der Test abgebrochen.
Die Deckschichten konnten nicht bis zum Versagen getestet werden. Nach den 60mm Auslenkung ver-
formten sich die Panels nicht 100% symmetrisch und die Prüfmaschine erfuhr eine zu hohe Scherkraft-
belastung und drohte, beschädigt zu werden.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 47
Biegekraft-Auslenkungs-Diagramm
Vollständiges Prüfprotokoll im Anhang.
Im Diagramm ist ersichtlich, dass sich das Nasslaminat bis ca. 2kN und das Prepreg bis ca. 4kN li-
near/elastisch verhalten haben. Mittels Trendlinie wurde der Übergang zum plastischen Bereich her-
ausgelesen.
Panel Rohr
Nasslaminat 25 x 2,0
Stempelkraft Fmax = 4,73 kN Stempelkraft Fmax = 7,59 kN
xmax bei 2 kN = -3,24 mm
max. Stempelkraft elastisch
Fmax, elas = 2,57 kN
xmax,elas = 4,21 mm
xmax bei 2 kN = -1,47 mm
max. Stempelkraft elastisch
Fmax, elas = 3,20 kN
xmax,elas = 2,41 mm
Prepreg 25 x 2,5
Stempelkraft Fmax = 5,34 kN Stempelkraft Fmax = 9,639 kN
xmax bei 2 kN = -3,05 mm xmax bei 2 kN = -1,26 mm
max. Stempelkraft elastisch
Fmax, elas = 4,07 kN
xmax,elas = 6,39 mm
max. Stempelkraft elastisch
Fmax, elas = 5,73 kN
xmax,elas = 3,82 mm
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Stempelkraft[N]
Auslenkung [mm]
Nasslaminat-Panel Prepreg-Panel 25 x 2,0 25 x 2,5
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 48
Maximale elastische Biegespannung
Das zuvor erstellte Modell wurde im linear/elastischen Bereich mit den Messungen verglichen:
𝑀 𝐵 =
𝐹 ∙ 𝑙
4
𝜎 𝐵 =
𝑀 𝐵
𝑊
Panel Rohr
Messung
𝜎 𝐵,𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. =
45,51𝑁/𝑚𝑚2
𝜎 𝐵,𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 =
65,10𝑁/𝑚𝑚2
𝜎 𝐵,25𝑥2,0 =
415,45 𝑁/𝑚𝑚2
𝜎 𝐵,25𝑥2,5 =
632,69𝑁/𝑚𝑚2
Rechnung
𝜎 𝐵,𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. =
474 𝑁/𝑚𝑚2
𝜎 𝐵,𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 =
470 𝑁/𝑚𝑚2
𝜎 𝐵,25𝑥2,0 =
350 𝑁/𝑚𝑚2
𝜎 𝐵,25𝑥2,5 =
350 𝑁/𝑚𝑚2
4.3.5 Diskussion der Prüfung der CFK-Panels
Nasslaminat
Die gemessene und zurückgerechnete Spannung in den Deckschichten ist rund 10 x tiefer als die er-
rechnete. Dies lässt sich gut mit den Beobachtungen vereinbaren. Der Kern konnte den Schubkräften
nicht standhalten und die Sandwichstruktur funktionierte nicht mehr. Die Kontaktfläche zwischen Kern
und Deckschichten ist ausgerissen, dies konnte auch auf den Aufnahmen beobachtet werden.
Prepreg
Die gemessene und zurückgerechnete Spannung in den Deckschichten ist rund 7 x tiefer als die errech-
nete. Auch hier konnte der Kern die Schubkräfte nicht aufnehmen. Der Unterschied zum Nasslaminat
ist, dass die Kontaktfläche beim Prepreg standgehalten hat. Es ist davon auszugehen, dass die zusätz-
liche Klebschicht und der Autoklavdruck zu einer besseren Verbindung zwischen Kern und Deckschicht
geführt haben. Der Kern des Prepreg-Panels ist im Zentrum zerrissen.
Bei beiden Panels konnten die Kohlefasern nicht ihr volles Potential ausnutzen. Der Kern hat versagt,
bevor die maximale Zugspannung in den Kohlefasern erreicht wurde. Folge dessen muss entweder ein
schubfesteres Material für den Kern gefunden werden oder das Panel durch zusätzliche Massnahmen
verstärkt werden. Falls die Gesamtbiegefestigkeit des Panels ausreichend sein sollte, können die Deck-
schichten wesentlich kleiner dimensioniert werden.
Äquivalenz zum Stahlrohr
Das Reglement fordert die Äquivalenz des Panels gegenüber dem Stahlrohr. Der Test hat gezeigt, dass
Baustahlrohre in der Regel wesentlich fester sind, als ihre angegebenen Mindestwerte. Aus diesem
Grund wäre es für den Äquivalenztest von Vorteil, wenn man Rohre mit den Minimalanforderungen
verwenden kann.
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 49
Analyse der Deckschichten
Die Deckschichten sind für diese Kernkonfiguration beim Nasslaminat um den Faktor 10, beim Prepreg
um den Faktor 7 überdimensioniert.
Nasslaminat Prepreg
Ist
𝜎 𝐵−𝐼𝑠𝑡,𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. =
45,51𝑁/𝑚𝑚2
𝜎 𝐵−𝐼𝑠𝑡,𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 =
65,10𝑁/𝑚𝑚2
Soll
𝜎 𝐵−𝑆𝑜𝑙𝑙,𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. =
474 𝑁/𝑚𝑚2
𝜎 𝐵−𝑆𝑜𝑙𝑙,𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 =
470 𝑁/𝑚𝑚2
Wgerechnet 𝑊 𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 5′
647𝑚𝑚3 𝑊 𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 5′
903𝑚𝑚3
WSoll 𝑊 =
𝑀 𝐵
𝜎 𝐵−𝑆𝑜𝑙𝑙
WSoll 𝑊 𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 542𝑚𝑚3 𝑊 𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 866𝑚𝑚3
HSoll
𝑊 =
𝐵 ∙ (𝐻3
− ℎ3
)
6 ∙ 𝐻  𝐻 = √
6 ∙ 𝑊 ∙ ℎ + 𝐵 ∙ 𝑐3
𝐵
3
HSoll 𝐻 𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 10,38𝑚𝑚 𝑊 𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 10,6𝑚𝑚
Bei den Panels hätte die Gewebestärke der Deckschichten deshalb wie folgt ausgereicht:
𝑡 𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 0,19𝑚𝑚 𝑡 𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 0,3𝑚𝑚
Dies gilt jedoch nur bei gleichmässiger Verringerung aller Gewebelagen. Bei einer rund 2 mm star-
ken Deckschicht pro 5 Gewebelagen, hätte deshalb eine einzelne Gewebelage ausgereicht.
Zusätzlich zum Biegeversuch, muss ein Scherversuch durchgeführt werden. Die maximale Scherfestig-
keit ist massgeblich von der Gewebestärke der Deckschichten abhängig. Nach dem Scherversuch kön-
nen die Mindestanforderungen an die Deckschichtstärke festgelegt werden.
Analyse des Kerns
Der Kern konnte die Schubkräfte nicht aufnehmen. Solange der Kern vor den Deckschichten versagt
und die Biegefestigkeit nicht ausreichend ist, wäre eine Erhöhung des Faserabstands (Erhöhung der
Kernstärke) oder der Gewebestärke zwecklos. Ein schubfesterer und stärkerer Kern ist deshalb not-
wendig.
4.4 Optimierung
Mit dem Herstellen und Prüfen der Panels konnte der Biegeversuch erstmals erfolgreich durchgeführt
werden. Folgende Schlüsse sind in Bezug auf das FSAE-Chassis aus dem Versuch zu ziehen:
 Nenndimension wurde mit 491 x 272 mm nach dem Zuschnitt knapp unterschritten. Der Kern
wurde mit 20 mm Übermass vor dem anschliessenden Anfasen zu knapp dimensioniert. Zu-
sätzliche 10 mm sind zu empfehlen.
 Die gewählte Konfiguration ist für eine Side-Impact-Structure eines FSAE-Fahrzeugs zu
schwach. Mittels mehreren Iterationsschritten soll ein ausreichend starker Aufbau gesucht
werden. Sobald die Anforderungen erfüllt sind, wird ein FE-Modell erstellt, welches mit den
Fertigungssverfahren
FSAE CFK Monocoque Chassis 50
Messungen korreliert. Somit kann das Modell auf das Chassis übertragen werden und die
mechanischen Eigenschaften des Chassis berechnet werden.
 Davon ausgegangen, dass die Äquivalenz zu 2 Baustahlrohren von 25 x 1,75 und nicht zum
gemessenen 25 x 2,0 / 2,5 gezeigt werden muss, kann von einer Elastizitätsgrenze von ca. 6,1
kN ausgegangen werden. Das Panel muss also bei gleicher oder geringerer Auslenkung des
Stahlrohrs, eine Biegefestigkeit von 6,1 kN standhalten und somit einen höheren E-Modul
aufweisen.
25 x 2,0 25 x 1,75
Elastizitätsgrenze
errechnet
Fmax, elas = 2,69 kN Fmax, elas = 2,56 kN
Elastizitätsgrenze
gemessen
Fmax, elas = 3,20 kN Fmax, elas = 3,05 kN1
x2 = Fmax, Panel-Soll = 6,1 kN
1
Hochrechnung bei gleichem Fehler bzw. identischem, festeren Stahl
Gemessen wurden zwei Panels mit je 2mm starken, 5-lagigen CFK-Deckschichten und einem 10mm
starken Aramid-Kern. Die Panels haben sich als zu schwach herausgestellt, um zwei Baustahlrohre zu
substituieren. Aus diesem Grund sollen verschiedene Panels mit schubfesterem Kern, dünneren Deck-
schichten getestet werden. Falls die Steif- und Festigkeits-, sowie Knickung und Energieabsorptionsrate
nicht erreicht werden kann, muss eine Variante mit Rippen getestet werden. Zusätzlich muss ein
Schubversuch durchgeführt werde, womit die Stärke der Deckschicht bestimmt wird. Es soll eine Da-
tenbank erstellt werden, in welcher man die mechanischen Eigenschaften den verwendeten Materia-
lien zuordnen kann. Nur so kann ein geeigneter Lagenaufbau für das Chassis bestimmt werden.
Als nächste Iteration wird deshalb folgende Konfiguration vorgeschlagen:
 Prepreg
 10mm-Aluminium Kern
 je 2 Klebstoffschichten
 je 2 204g-Köper-Gewebe
Bei dieser Konfiguration sollten zuerst die Deck-
schichten versagen. Die Deckschichten sind zwar
nur ca. 0,19 mm stark, dafür ist das 0°/90°-Ge-
webe in Faserrichtung gelegt.
Somit kann davon ausgegangen werden, dass die Deckschichten vor dem Kern versagen.
Falls diese Prognose zutrifft, können fester Deckschichten genutzt werden, bis die geforderte Festigkeit
und Steifigkeit erreicht wird.
Falls der Kern erneut versagt, muss eine alternative schubfestere Konstruktion realisiert werden bzw.
der Sandwichaufbau durch zusätzliche Massnahmen wie Rippen verstärkt werden.
Abbildung 46: Vorschlag für nächste zu prüfende Panel-Konfi-
guration
FSAE CFK Monocqoque Chassis
FSAE CFK Monocqoque Chassis
FSAE CFK Monocqoque Chassis
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FSAE CFK Monocqoque Chassis

  • 2. Zusammenfassung Diese Arbeit befasst sich mit der Planung und Fertigung eines Formula Student CFK Monocoque Chas- sis. Die Arbeit zeigt auf, welche Punkte bei der Entwicklung beachtet werden müssen und dient als Wegleitung für Studenten, welche noch nie zuvor mit Faserverbundwerkstoffen gearbeitet haben. Dazu wurde versucht, die dafür relevanten Themen aufzugreifen. Im Rennsport sind Gitterrohrrahmen nach wie vor verbreitet, da sich diese durch gute mechanische Eigenschaften sowie hoher Kosteneffizienz auszeichnen. Die erforderliche Fachwerkstruktur schränkt die Gestaltungsfreiheit jedoch ein. Mit einem Monocoque hat man mehr Möglichkeiten, das Fahrzeug- chassis optisch und aerodynamisch zu optimieren. Zusätzlich kann durch die Verwendung von Kohle- fasern mit ihrer aussergewöhnlich hohen spezifischen Steifigkeit, das Fahrzeuggewicht gesenkt und die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Während sich das Schweissen als Fügetechnik für Stahl-Gitterrohrrahmen weitgehend etabliert hat, gibt es für Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen eine Vielzahl unterschiedlicher Fertigungsverfahren. Die Möglichkeiten wurden analysiert und miteinander verglichen. Als die drei geeignetsten Varianten haben sich die Vakuuminfusions-, Nasslaminat- und Prepreg-Technik herausgestellt, wobei die beiden letztgenannten in einem Praxis-Test miteinander verglichen wurden. Mit allen Varianten können me- chanisch gute Resultate erzielt werden. Die höchste spezifische Steif- und Festigkeit wird durch den hohen und kontrollierbaren Faservolumengehalt mit dem Prepreg-, gefolgt vom VARI-Verfahren er- reicht. Das einfache Handling des Prepregs stellte sich ausserdem als ausschlaggebenden Vorteil für unerfahrene Studenten heraus. Faserverbundwerkstoffe zeichnen sich durch ihre anisotropen (richtungsabhängigen) Werkstoffeigen- schaften aus. Deren Berechnung ist aus diesem Grund komplexer als jene von metallischen Werkstof- fen. Ein sicherheitsrelevantes Bauteil wie das Kohlefaserchassis als Überlebenszelle für den Rennfah- rer, unterliegt deshalb einer aufwändigen Prüfungs- und Dokumentationspflicht gegenüber der SAE. Um an einem Rennen teilzunehmen sind Berechnungen und Prüfungen gefordert, welche die Äquiva- lenz zu einem Gitterrohrrahmen aus Baustahl verifizieren. Als Teil dieser Arbeit wurden die zwei im Nasslaminier- und Prepreg-Verfahren hergestellten Sandwichpanels im Biegeversuch mit Baustahlroh- ren verglichen. Zuletzt spielt die Chassis-Geometrie eine massgebende Rolle beim Entwicklungs- und Fertigungsauf- wand eines Monocoque-Chassis. Es wird eine Möglichkeit aufgezeigt, wie die komplexe Form im CAD erstellt werden kann. Anschliessend wurde ein einfaches FE-Modell erstellt und mit 3 Lastfällen be- rechnet. Die Auswertung zeigte die kritischen Stellen, welche optimiert werden müssen. Nach dem Durchlesen dieser Arbeit hat man einen Überblick und ist in der Lage, ein SAE-CFK-Monoco- que-Chassis zu planen und nach Erarbeiten der notwendigen Fähigkeiten, dieses zu entwickeln und zu fertigen.
  • 3. Abkürzungen und wichtige Begriffe FSAE CFK Monocoque Chassis 2 Abkürzungen und wichtige Begriffe Ablegen sequenzielles Aufbringen flachförmiger Halbzeuge in einzelnen Lagen (Prepreg) Autoklav Druckofen für die Aushärtung und Kompaktierung von Prepregs CAD computer aided design CFK carbonfaserverstärkter Kunststoff CNC computerized numerical control: elektronische Steuerung von Werkzeugmaschinen FSAE Formula Student, Society of Automotive Engineers FVW Faserverbundwerkstoffe Gelege Fasern sind im Halbzeug übereinander gelegt und fixiert Gewebe Fasern sind im Halbzeug gewoben Laminieren Verbinden von trockenen Faser-Halbzeugen mit Harz MAG Multiaxialgelege: mehrere in unterschiedlicher Richtung orientierte flachförmige Halbzeuge in Kombination Matrix Duro- oder Thermoplaste (Harzsystem) welche das Faserhalbzeug zusammenhalten OoA out-of-autoclave: Aushärtungsverfahren für Prepregs im Ofen ohne zusätzlichen Druck Plybook Legebuch, beschreibt die Abfolge der Einzellagen in einem Bauteil Prepreg preimpregnated fibers: vorimprägniertes Fasermaterial Prepreg-Tow schmales Prepreg-Band RTM resin ransfer moulding: Harz wird mit Druck in die Form injiziert Tack Klebrigkeit bei Prepregs Tooling Formgebung/Abformen des Bauteils mit Hilfe eines Werkzeugs Topfzeit Verarbeitungszeit von Harzsystemen UD unidirektional Urform Erstform vor und für den Werkzeugbau VARI Vacuum Assisted Resin Infusion: Harz wird durch Vakuum in die Form infundiert VARTM Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding: Harz wird durch Vakuum und Druck in die Form injiziert Werkzeug Form in welcher das Endbauteil ausgehärtet wird
  • 4. Inhaltsverzeichnis FSAE CFK Monocoque Chassis 3 Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabenstellung und Struktur ....................................................................................................... 5 2 Planung............................................................................................................................................ 6 2.1 Gründe für ein FVW-Monocoque............................................................................................ 6 2.2 Basiswissen.............................................................................................................................. 7 2.3 Reglement ............................................................................................................................... 7 3 Konzeptwahl.................................................................................................................................... 9 3.1 Geometrie.............................................................................................................................. 10 3.1.1 Freiform......................................................................................................................... 10 3.1.2 Vielflächenform............................................................................................................. 11 3.1.3 Rotationssymmetrisch................................................................................................... 11 3.2 Bauweise ............................................................................................................................... 12 3.2.1 Differenzierte Bauweise ................................................................................................ 12 3.2.2 Integralbauweise........................................................................................................... 13 3.2.3 Sandwichbauweise........................................................................................................ 14 3.3 Fertigungsverfahren.............................................................................................................. 16 3.3.1 Handlaminieren............................................................................................................. 16 3.3.2 Prepreg .......................................................................................................................... 18 3.3.3 Wickeltechnik ................................................................................................................ 22 3.3.4 Infusions-/Injektionsverfahren...................................................................................... 22 3.4 Faserwahl .............................................................................................................................. 23 3.5 Tooling................................................................................................................................... 24 3.5.1 Urform  Werkzeug..................................................................................................... 24 3.5.2 Direkt Werkzeug............................................................................................................ 27 3.5.3 Ohne Form  Hilfsrahmen ........................................................................................... 27 3.6 Punktlastkonzept................................................................................................................... 28 3.6.1 Spanten.......................................................................................................................... 28 3.6.2 Inserts einlaminiert........................................................................................................ 29 3.6.3 Inserts nachträglich ....................................................................................................... 29 3.6.4 Composite-Schrauben/Muttern.................................................................................... 29
  • 5. Inhaltsverzeichnis FSAE CFK Monocoque Chassis 4 4 Fertigungssverfahren..................................................................................................................... 30 4.1 Nasslaminat und Prepreg im Praxis-Vergleich ...................................................................... 31 4.2 Panel-Fertigung in Bezug zum FSAE-Chassis ......................................................................... 40 4.3 Prüfung der CFK-Panels......................................................................................................... 41 4.3.1 Prüfbedingungen........................................................................................................... 41 4.3.2 Prüfwerkstücke und Erwartungen................................................................................. 42 4.3.3 FE-Modell Prüfstücke .................................................................................................... 45 4.3.4 Prüfresultate der Werkstücke ....................................................................................... 46 4.3.5 Diskussion der Prüfung der CFK-Panels......................................................................... 48 4.4 Optimierung .......................................................................................................................... 49 5 Chassis-Geometrie......................................................................................................................... 51 5.1 Geometrie-Erstellung ............................................................................................................ 51 5.1.1 Grundform..................................................................................................................... 52 5.1.2 Zeichnen im CAD ........................................................................................................... 53 5.2 FE-Modell .............................................................................................................................. 54 5.3 FE-Lastfälle ............................................................................................................................ 55 5.4 FE-Analyse ............................................................................................................................. 56 5.4.1 4g-Lastfall ...................................................................................................................... 56 5.4.2 Bremslastfall.................................................................................................................. 57 5.4.3 Kurvenlastfall................................................................................................................. 59 5.5 Optimierung .......................................................................................................................... 61 6 Fazit der Studie.............................................................................................................................. 62 6.1 Planung.................................................................................................................................. 62 6.2 Konzeptwahl.......................................................................................................................... 62 6.3 Weiteres Vorgehen................................................................................................................ 66 7 Schlusswort ................................................................................................................................... 67 8 Danksagung ................................................................................................................................... 68 9 Personen........................................................................................................................................ 69 10 Quellenverzeichnis .................................................................................................................... 70 11 Abbildungsverzeichnis............................................................................................................... 71 12 Selbständigkeitserklärung ......................................................................................................... 73 13 Anhang....................................................................................................................................... 74
  • 6. Aufgabenstellung und Struktur FSAE CFK Monocoque Chassis 5 1 Aufgabenstellung und Struktur Die Bachelor Thesis befasst sich mit der Planung und Fertigung eines FSAE-Monocoque-Chassis aus FVW. Als Basis dient der aktuelle S355-Gitterrohrrahmen der Bern Formula Student (BFS). Diese Arbeit soll als Wegleitung für zukünftige Studenten und Teammitglieder der BFS dienen. Die Arbeit ist wie folgt gegliedert: Planung Dieses Kapitel zeigt nach den Gründen für ein Monocoque-Chassis, welches Basiswissen für eine er- folgreiche Entwicklung notwendig ist und inwiefern das SAE-Reglement berücksichtigt werden muss. Konzeptwahl In diesem Kapitel werden die verschiedenen konzeptionellen Faktoren nach Kategorien gegliedert auf- gezeigt, deren Vor- und Nachteile diskutiert und den Bezug zum FSAE-Chassis hergestellt. Es wird auf- gezeigt wie sich Aufwand und Kosten zusammensetzen, was von Studenten machbar ist und was nicht. Fertigungssverfahren Nach einem Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten im Kapitel Konzeptwahl werden hier zwei mögliche Fertigungsverfahren miteinander verglichen und deren Erkenntnisse auf das FSAE-Chassis übertragen. Ein 3-Punkt-Biegeversuch der CFK-Panels gibt Auskunft über die mechanischen Eigen- schaften der hergestellten Panels. Chassis-Geometrie Die Geometrieerstellung im CAD eines Monocoques unterscheidet sich grundlegend von jener für ei- nen Gitterrohrrahmen. In diesem Kapitel wird eine mögliche Herangehensweise aufgezeigt. In einem zweiten Schritt wird ein FE-Modell erstellt und erste Erkenntnisse daraus gezogen. Fazit der Studie Auf Grundlage der vorangegangenen Kapitel wird im letzten Kapitel ein Vorschlag gezeigt, wie das BFS- Chassis gefertigt werden kann. Ausserdem werden die weiteren nötigen Arbeitsschritte aufgezeigt.
  • 7. Planung FSAE CFK Monocoque Chassis 6 2 Planung 2.1 Gründe für ein FVW-Monocoque Es wird davon ausgegangen, dass man bei der ersten Entwicklung eines FVW-Monocoques bereits Er- fahrungen mit einem Gitterrohrrahmen gesammelt hat. Der Gitterrohrrahmen folgt der Fach- werktheorie. Im Idealfall ist jeder Knotenpunkt des Rahmens vollständig durch mindestens 3 Rohre bestimmt. Ein leichter Rahmen kann mit einer idealen Geometrie und Dimensionierung der Rohre er- reicht werden. Die Erfahrung zeigt, dass leichte Gitterrohrrahmen von ca. 30 kg erreicht werden kön- nen. Was spricht also für ein FVW-Monocoque? Mehr Möglichkeiten der Formgebung Einem Gitterrohrrahmen sind durch die notwendige Triangulierung der Knotenpunkte in der Formge- bung gewisse Grenzen gesetzt. Kräfte sollen immer über Knotenpunkte eingeleitet werden. Bei grosser Komplexität eines Fahrzeugs bzw. bei einer grossen Anzahl an zu verbauenden Komponenten sind diese Ideale nur schwer einzuhalten. Das FVW-Monocoque bietet hier beträchtliche Vorteile. Dadurch, dass das Chassis eine einzige Oberfläche ist, können bei entsprechender Konstruktion jegliche Punkte zur Krafteinleitung realisiert werden. Zusammenfall von Chassis und Karosserie Ein Gitterrohrrahmen muss aus mehreren Gründen durch eine Karosserie ergänzt werden. Um den Fahrer vor eindringenden Gegenständen zu schützen, muss erstens eine geschlossene Schale entspre- chender Festigkeit um den Gitterrohrrahmen gefügt werden. Zweitens sollen durch diese Karosserie auch aerodynamische und optische Anforderungen erfüllt werden. Bei einem FVW-Monocoque ent- fällt also der separate Schritt einer Karosseriefertigung. Design als Bewertungskriterium Neben den dynamischen Events machen die statischen Events rund einen Drittel der Bewertung aus. Ein FVW-Monocoque ist nicht generell besser als ein Gitterrohrrahmen, öffnet jedoch viele Gestal- tungsmöglichkeiten. Mit einem innovativen und ansprechenden Design können Punkte gesammelt werden. Gewicht Derzeit sind im Teilnehmerfeld FVW-Monocoques unter 15 kg zu finden, was massiv unter dem Tiefst- wert von aktuellen Gitterrohrramen liegt. Dadurch, dass ein FVW-Chassis aus einer grossen Anzahl von Schichten zusammengesetzt sein kann, kann die lokale Dimensionierung individuell angepasst werden. Durch Sandwichbauweise und einzelne Verstärkungselemente kann effektiv Gewicht eingespart wer- den.
  • 8. Planung FSAE CFK Monocoque Chassis 7 2.2 Basiswissen Da sich ein Chassis aus FVW in allen Belangen massiv von einem Stahl-Gitterrohrrahmen unterscheidet, ist es unerlässlich sich vorgängig die grundlegenden Kenntnisse über FVW anzueignen. Dabei geht es noch nicht spezifisch um das FSAE-Chassis, sondern um die generellen Eigenschaften von FVW. Emp- fehlenswert sind folgende Schritte:  Werkstoffeigenschaften Um eine Auswahl des geeigneten Halbzeugs machen zu können, muss studiert werden, welche Materialien überhaupt erhältlich sind, was deren Eigenschaften sind, wie sie verarbeitet wer- den können und deren Preis.  Fertigungsverfahren Je nach Auswahl des Werkstoffs und der Geometrie kommen spezifische Fertigungsverfahren in Frage. Diese unterscheiden sich nicht nur im Aufwand und Resultat, sondern auch im Preis. Dessen Auswahl kann deshalb ein wichtiges Kriterium für ein Team sein.  Marktanalyse Um einen Überblick zu erhalten sollen aktuelle Fahrzeuge unter die Lupe genommen werden. Viele Teams sind bereit, Auskunft über ihr Fahrzeug zu geben  Eigene Fähigkeit und technische Voraussetzungen kennen Nicht zuletzt sind die Verfügbarkeit von erforderlicher Erfahrung, Soft- und Hardware entschei- dend. Neben der menschlichen Komponente ist je nach Konzeptwahl entsprechende Software erforderlich um Strukturberechnungen von FVW durchzuführen. Je nach Fertigungsverfahren sind teure Materialien und Geräte notwendig. Diese Voraussetzungen müssen bei der Kon- zeptwahl unbedingt berücksichtigt werden um spätere Überraschungen zu vermeiden. 2.3 Reglement Die 2015 FSAE Rules (SAE 2015) legen die Rahmenbedingungen für die Konstruktion und Dokumenta- tion der FSAE-Rennfahrzeuge fest. Es ist unerlässlich, diese vorgängig zu studieren. Das Reglement wird in jedem ungeraden Jahr (2015, 2017, …) überarbeitet, kann jedoch auch jährlich kleinere Änderungen enthalten. Das Dokument umfasst aktuell 178 Seiten in englischer Sprache. Eine umfassende Beschrei- bung der für das Chassis relevanten Teile ist aus Gründen der Übersicht nicht Teil dieser Arbeit, noch kann eine Garantie für die Korrektheit der hier übersetzten Teile gegeben werden. Im folgenden Ab- schnitt sind die wichtigsten Unterschiede zum Gitterrohrrahmen aufgelistet.  Alternative Frame Rules (AF) Bei der Konstruktion eines Chassis aus FVW entscheidet sich das Team nicht nach Standardbe- dingungen zu konstruieren. Statt dessen gelten in diesem Fall die Regeln im Abschnitt AF.  Benachrichtigung Das Team muss die Rennleitung bis zu einem vom Event abhängigen Termin über sein Vorha- ben informieren. Die entsprechenden Voraussetzungen zur Konstruktion und Dokumentation (FEA-Programme, Kenntnisse und Prüfeinrichtungen) müssen belegt werden.
  • 9. Planung FSAE CFK Monocoque Chassis 8  Structural Requirements Certification Form (SRCF) Das Team muss termingerecht ein SRCF einreichen. Es ersetzt das Structural Equivalency Spreadsheet (SES) bzw. Teile des SES werden in das SRCF integriert.  Werkstoffprüfung und Technische Inspektion Während beim Spaceframe mit Standardmaterial/Baseline Steel das Vermerken der Rohrdi- mensionen genügt, müssen für die Hauptstrukturen des Monocoques, Panels hergestellt wer- den, welche dieselbe Struktur aufweisen, wie das Monocoque in den entsprechenden Berei- chen des Fahrzeugs. Ausserdem muss das Monocoque so konstruiert sein, dass bestimmte konstruktive Anforderungen nachvollzogen werden können. Die Test Bedingungen sind im SAE-Reglement einsehbar oder im Kapitel 4.3 Prüfung der CFK-Panels beschrieben. Die nach- folgende Liste zeigt, welche Bereiche getestet werden müssen. Anforderungen (Auszug) Side Impact Structure 3 Punkt Biegeversuch Panel 275 mm x 500 mm Zusätzlicher Test und Vergleich mit 2 Baseline Steel Rohren Monocoque soll gleich gut oder besser sein Scherprüfung (Dorn durch Panel) Panel mind. 100 mm x 100 mm Front Bulkhead 3 Punkt Biegeversuch Scherprüfung falls Anti-Intrusion-Plate aus Verbundwerkstoffen ge- fertigt ist.  Äquivalenz zu 1.5 mm Stahlplatte beweisen. Front Bulkhead Support 3 Punkt Biegeversuch Scherprüfung Main Hoop Verbindung zum Monocoque nachweisen Front Hoop Falls einlaminiert  Existenz nachweisen Beckengurt Scherprüfung Schultergurt Scherprüfung
  • 10. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 9 3 Konzeptwahl Der Entwicklungs- und Herstellungsprozess, sowie das Material bestimmen die mechanischen Eigen- schaften und Kosten des Chassis. Es gibt eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten, wie sich diese einzelnen Elemente zusammensetzen können. Selbstverständlich wäre es ideal, jeden Prozessschritt im Detail zu kennen um eine geeignete Auswahl treffen zu können. Da man als Student in der Regel nicht über die entsprechende Erfahrung verfügt und die Zeit für eine umfassende Analyse fehlt, soll im nächsten Abschnitt eine Zusammenfassung aufgelistet werden. Das Konzept muss vor Projektstart festgelegt werden. In nachfolgender Tabelle sind die Möglichkeiten nach Kategorie geordnet: Geometrie Freiform Vielflächen- form Rotationssym- metrisch Bauweise Differenziert Bauweise Integralbau- weise Sandwichbauweise Alu-/Aramid- Waben Hartschaum Balsa Spanten Space- framestruktur Fertigungs- verfahren Handlaminieren Prepreg Wickeln Infusion/ Injektiondrucklos Vakuum Autoklav Ofen/OoA Fasertyp Kohle Glas Aramid Polyethylen Basalt Tooling Urform  Werkzeug Direkt Werkzeug Ohne Form  Hilfsrahmen1 oder 2-tei- lige Urform 1 oder mehr- teiliges Werk- zeug Urform- material Epoxy PU- Hartschaum MDF EPS-Dämm- platte Werkzeug- material Epoxy Kohlefaser MDF PU-Hart- schaum EPS-Dämm- platte Punktlast- konzept Spanten Inserts ein- laminiert Inserts nach- träglich Composite- Schrauben/ Muttern Bleche
  • 11. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 10 3.1 Geometrie Die Chassis-Geometrie ist eine wichtige Grundsatzentscheidung. Sie hat einen grossen Einfluss auf den Entwicklungsaufwand und das Fertigungsverfahren. Freiform Vielflächenform Rotationssymmetrisch Entwicklungsaufwand Sehr hoch Hoch Mittel Designmöglichkeiten Sehr hoch Mittel Gering 3.1.1 Freiform Die Komplexität der Geometrie bestimmt logischerweise auch den Entwicklungsaufwand. Eine Frei- form im CAD zu zeichnen ist sehr aufwändig. Eine nicht repräsentative Befragung von diversen Teams hat eine mittlere Entwicklungsdauer von ungefähr 8 Wochen ergeben. Diese Zeit umfasst lediglich das Design im CAD, ohne Strukturberechnung und Fertigung von Testmustern. Ausgegangen wird von ei- ner Programm-Erfahrung von 1 – 2 Jahren (Bachelor Student im 5. Semester). Dieser Zeitwert ist selbst- verständlich auch von der Anzahl Iterationen abhängig, welche von Änderungen des Gesamtfahrzeugs abhängen. Die grossen Vorteile der Freiflächenform sind die vielfältigen Designmöglichkeiten und die Aerodyna- mik. Das Design ist ein wichtiger Faktor, da mit einem ansprechenden Design am Wettbewerb selbst gepunktet werden kann. Die Judges legen grossen Wert auf ein kompaktes und funktionales Fahrzeug- design. Ein ansprechendes Design ist ausserdem ein wichtiges Kriterium für Sponsoren, da das Fahr- zeug als Werbeträger das Team, den Entwicklungsaufwand und den Sponsor repräsentiert. Freiflächen ermöglichen aerodynamische Optimierungsmöglichkeiten. Eine schmale Fahrzeugsilhou- ette kann mit Hilfe von Freiformen lokal um Fahrer und Keep-Out-Zones gelegt werden, während es bei Chassis mit grossen Ebenen und Spaceframes Einschränkungen gibt. Der grosse Nachteil von Freiformen ist der hohe Entwicklungs-/Designaufwand. Ohne entsprechende Erfahrung oder ein Vorjahresfahrzeug muss die Geometrie auf viele Annahmen gestützt werden. Das Zeichnen von Freiformen im CAD erfordert sehr gute Programmkenntnisse. Das darauffolgende Ferti- gungsverfahren ist nicht minder aufwändig. Das Laminieren von Freiformen erfordert Urformen und zwei- oder mehrteilige Werkzeuge. Die dafür notwendigen Materialien sind teuer und die Verfahren sowohl zeit- als auch kostenintensiv durch die benötigte Infrastruktur. Abbildung 1: Das Fahrzeug der Auburn University, Alabama an der FSAE Michigan. Es weist eine Freiflächenform auf.
  • 12. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 11 3.1.2 Vielflächenform Wesentlich einfacher ist die Gestaltung des Chassis durch ebene Flächen. Die Flächen ermöglichen grosse Zeitersparnisse einerseits zeichnerisch, als auch später in der Fertigung. Durch die Flächen wer- den selbstverständlich die Design-Möglichkeiten eingeschränkt, was einerseits den grossen Gestal- tungsvorteil eines Monocoques etwas minimiert und andererseits einen Einfluss auf die Design-Bewer- tung im FSAE-Wettbewerb haben kann. Die einzelnen Ebenen können entweder mit vorgefertigten Platten bestückt und die Kanten zusätzlich laminiert werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines Werkzeugs (so hat es OSU ge- macht). Das Fertigungsverfahren ist in diesem Falle identisch mit dem einer Freiform. Der Vorteil liegt jedoch darin, dass das Ablegen der einzelnen Gewebelagen wesentlich einfacher geht bzw. grössere Gewebeflächen auf einmal abgelegt werden können, was zu Zeitersparnis führt. Durch das Fehlen von engen Radien können auch schwere Gewebe verwendet werden, um einen schnelleren Aufbau zu er- reichen. Der Nachteil sind die eingeschränkten Designmöglichkeiten. Das Fahrzeug macht optisch einen min- derwertigeren Eindruck als sein Freiflächen-Pendent. Dies hatte einen direkten Einfluss auf die Design- Bewertung des diesjährigen Fahrzeugs der OSU. In der Praxis zeigt sich, dass die meisten Teams einen Kompromiss zwischen Freiflächen- und Vielflächenform suchen. Somit kann einerseits ein ansprechen- des und funktionales Design bei moderatem Fertigungsaufwand erreicht werden. 3.1.3 Rotationssymmetrisch Eine weitere Idee ist die Verwendung der Wickeltechnik für ein Fahrzeug-Chassis. Voraussetzung dafür ist eine um die Fahrzeuglängsachse vorhandene Rotationssymmetrie. Inwiefern dieses Fertigungsver- fahren effektiv umsetzbar ist, ist schwer vorherzusagen, da zum jetzigen Zeitpunkt kein Rennfahrzeug gefunden werden konnte, welches nach dieser Technik hergestellt wurde. Die Geometrie wäre einfach zu modellieren, jedoch sehr eingeschränkt, was die Design-Möglichkeiten anbelangt. Ausserdem wäre zu untersuchen, wie die Cockpitöffnung realisiert werden soll. Abbildung 3: Das 2014-Fahrzeug der Oregon State University (OSU) wies noch viele Freiformen auf... Abbildung 2: ...das diesjährige Fahrzeug wurde aus Gründen des Fertigungsaufwands durch ebene Flächen stark verein- facht.
  • 13. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 12 3.2 Bauweise (Ermanni 2007) Je nach Werkstofftechnik, Auslegung und Konstruktion, Fertigung und Bewertung bieten sich unter- schiedliche Bauweisen an. Im Falle eines komplizierten Bauteils wie ein Fahrzeug-Chassis, ist eine Kom- bination aus verschiedenen Bauweisen denkbar und auch die Regel. Differenzierte Bau- weise Integralbauweise Sandwichbauweise Halbfabrikat Kosten Gering (Platten) Mittel/Hoch (Ge- webe/Gelege) Hoch (Gewebe/Ge- lege + Kern) Fertigungsaufwand Mittel Hoch Mittel bis hoch Infrastruktur- Voraussetzungen Gering Hoch bis sehr hoch Sehr hoch Designmöglichkeiten Mittel Hoch Hoch 3.2.1 Differenzierte Bauweise Bei dieser Bauweise verwendet man vorgefertigte Bauteile, welche in der Montagephase zum Endpro- dukt zusammengefügt werden. Im Falle des FSAE-Chassis kann man CFK-Platten zuschneiden und sie anschliessend mit einem geeigneten Verfahren zusammenfügen. Es gibt verschiedene Konzepte, wel- che diese Bauweise nutzen. Der Vorteil der differenzierten Bauweise ist, dass die Fertigungskosten der einzelnen Bauteile in der Regel niedrig sind bzw. dass diese vorgefertigt eingekauft werden können. Der Montageaufwand kann je nach Konzept hoch sein. Der Nachteil ist die sehr eingeschränkte Formgebung des Chassis. Fragwürdig ist ausserdem, ob die geforderten Steifigkeitswerte mit dieser Methode erreicht werden können. Abbildung 4: Konzept mit gepressten ALUCORE-Sandwichplatten und Alu-Profilen (Schuler 2015) Abbildung 5: "Cut-and-Fold"-Technik der Edith Cowan University, Australien: Die Sandwichplatte wurde an den Kanten ein- geschnitten und zum Chassis gefaltet. DXF-Schnittmuster (links) Bildquelle: (Ayres 2010)
  • 14. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 13 Die Cut-and-Fold-Technik wurde 2010 von der Edith Cowan University in Australien angewendet. Das Team benutzte Carbon-beschichtete Wabenverbundplatten. Entlang den Chassiskanten wurden die Platten eingeschnitten und gefaltet. Die Faltstellen wurden anschliessend mit einer zusätzlichen Lami- natschicht verstärkt. Vorteile dieser Technik sind folgende:  Konstante Werkstoffeigenschaften, da die eingekauften Panels maschinell hergestellt wur- den. Unregelmässigkeiten, wie sie beim Handlaminieren vorkommen, können ausgeschlos- sen werden.  Einfache Montage, da keine Form hergestellt werden muss.  Günstige Herstellung, da die Fertigungszeit sehr niedrig ist. Nachteile:  Eingeschränkte Möglichkeiten in der Geometrie  Optik  Inserts können nicht faserzerstörungsfrei integriert werden 3.2.2 Integralbauweise Bei der Integralbauweise versucht man in einem einzigen Fertigungsvorgang, alle einzelnen Struktur- bauteile zusammenzufügen. Die einzelnen Elemente sind dabei meist nicht selbsttragend. Erst im Ver- bund erreicht das Endprodukt die geforderten Eigenschaften. Dies macht die Integralbauweise zu ei- nem wichtigen Verfahren zur Verarbeitung von FVW. Die Montagekosten können dadurch gesenkt werden. Im Flugzeugbau hat sich dieses Verfahren durchgesetzt. Hochfeste- und steife Platten können durch Spanten oder Spaceframestrukturen miteinander verbunden werden. So können leichte und trotzdem steife Strukturen erreicht werden. Der Vorteil ist, dass Verbindungsstellen, welche in der Konstruktion oft ein Schwachpunkt sind, auf ein Minimum reduziert werden können. Dies führt ausserdem zu sehr leichten Strukturen. Auch optisch bietet die Integralbauweise grosse Vorteile, da viele Komponenten unsichtbar und sauber ins Endpro- dukt integriert werden können. Der grosse Kostenfaktor sind allerdings Werkzeuge und Infrastruktur. Um die einzelnen Element zu- sammenfügen zu können, bedarf es einem Gerüst oder einer Form. Je nach Umfang lohnen sich diese Investitionen bei einem Prototyp nicht. Ausserdem ist es bei der Integralbauweise oft schwierig, im nachhinein Anpassungen zu machen. Abbildung 6 Links: Die Ecole De Technologie Superieur aus Kanada verwendet eine Spaceframestruktur mit einem Sand- wichaufabau. Rechts: Eine Rippe aus Rohacell-Schaum. (Kunststoff Web 2015)
  • 15. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 14 3.2.3 Sandwichbauweise Die Sandwichbauweise dürfte aus verschiedensten Bereichen der Konstruktion bekannt sein. Es ist ein nicht wegzudenkendes Verfahren im Leichtbau. Hohe Biegesteifigkeiten können durch die Verbindung von hochsteifen und –festen Deckschichten mit einem schubsteifen Kern erreicht werden. Das in der Regel sehr leichte Kernmaterial sorgt für einen genügend grossen Faserabstand der Deckschichten. Die Sandwichbauweise kann auch in Kombination mit anderen Bauweisen verwendet werden. So ist bei einem FSAE-Chassis ein lokal individueller Kernaufbau realisierbar. Als Kernmaterial eignen sich sowohl Wabenplatten aus Aluminium oder Aramid, als auch Hartschäume oder das Naturmaterial Balsa. Die Kernmaterialien unterscheiden sich einerseits in der Drapier- und Umforbarkeit: Nicht jedes Kernma- terial lässt sich auf jede Kontur abformen. Andererseits gibt es weitere Eigenschaften wie Gewicht, Wärme- und Schalldämmung, Schlag- und Splitterschutz sowie Brandschutz. (Ermanni 2007) Abbildung 8: Das Aluminium Monocoque der Tennessee Tech University verwendet als Kernmaterial einen Schaumstoff zwi- schen den Alublechen. Abbildung 7: Der VTM15 des Virginia Tech verwendet einen Aluminiumwabenkern im Front Bulkhead
  • 16. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 15 Die Sandwichbauweise bietet sich in Verbindung mit FVW geradezu an. Diese Technik macht es mög- lich, die in den Deckschichten verwendeten Fasern auf Zug/Druck und den Kern auf Schub zu bean- spruchen. Das Fahrzeugchassis kann je nach Anforderungen in verschiedenen Regionen eine unter- schiedlich starke Sandwichstruktur aufweisen, um das Gesamtgewicht weiter zu minimieren und die Steifigkeit zu erhöhen. Der Nachteil ist der hohe Fertigungsaufwand. Falls keine vorgefertigten Panels verwendet werden, muss der Kern in die Gewebe integriert, dazu vorbereitet, zugeschnitten und zweckmässig fixiert wer- den. Ausserdem eigenen sich nicht alle Kernmaterialien gleich gut für sphärische Formen. Bei Sand- wichstrukturen sind Punktlasten nur mit zusätzlichen Massnahmen einleitbar. Der Kern würde bei grossen Punktlasten kollabieren, weshalb er verstärkt/substituiert oder die Last grossflächiger einge- leitet werden muss. Kernmaterialien Bei Sandwichbauweisen muss man sich für ein geeignetes Kernmaterial entscheiden: Alu-Waben2 Aramid-W.3 Rohacell 514 Airex C70.905 Balsa SB1005 Kosten1 [CHF/m2 ] 80 100 90 60 55 Dichte [kg/m3 ] 83 32 52 100 148 Druckfestigkeit [N/mm2 ] 5,45 1,03 0,9 2,0 9,2 Scherfestigkeit [N/mm2 ] 3,45 0,76 0,8 1,7 2,6 Drapierbarkeit mittel schlecht gut gut schlecht 1 Mittelwerte aus verschiedenen Quellen: (jenny + CO 2015), (suter 2015) 2 Zellgrösse 6,4 mm, Alu 5056 Luftfahrtqualität, 3 Aramid NOMEX Luftfahrtqualität (jenny + CO 2015) 4 (suter 2015),5 (Airex 2014), Alle Datenblätter im Anhang Die verglichenen Materialien gibt es in unterschiedlichen Typen. Es wurde eine Auswahl getroffen. Abbildung 9: Die Ecole De Technologie Superieur aus Kanada verwendet vor der Stahl-Anti-Intrusion-Plate einen Aramidkern
  • 17. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 16 3.3 Fertigungsverfahren Das Fertigungsverfahren wird einerseits durch die Bauteilgeometrie eingeschränkt/gegeben, anderer- seits wird es anhand der zur Verfügung stehenden Möglichkeiten gewählt. Je nach Budget, Infrastruk- tur und Erfahrung kommen die unterschiedlichen Verfahren mehr oder weniger in Frage. Während das Handlaminieren den meisten ein Begriff sein dürfte, haben sich im Verlaufe der Zeit viele weitere Tech- niken etabliert. Im nachfolgenden Abschnitt wird auf Verfahren und deren Eignung zur Fertigung eines FSAE-Chassis eingegangen. Handlaminieren Prepreg Wickeln Infusion/ Injektion drucklos Vakuum Autoklav Ofen/ OoA Geometrie komplex komplex rotationsähnlich komplex Löcher/Inserts möglich möglich schwierig möglich Versteifungen möglich möglich schwierig möglich Hinterschneidun- gen möglich möglich nicht möglich schwierig Oberfläche mässig gut gut mässig gut Faserarchitektur beliebig beliebig begrenzt beliebig Typisches Faser- volumengehalt 30% - 40 % 50% 65 % 50 % 50 % Mechanische Ei- genschaften niedrig mittel hoch mittel mittel Quelle: (Ermanni 2007) 3.3.1 Handlaminieren Das am weitesten verbreitete Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es bereits mit minimalen tech- nischen Voraussetzungen angewendet werden kann. Die trockenen Gewebelagen werden mit dem angemischten Harz Lage für Lage benetzt. Das Harz bildet das sogenannte Matrixsystem und hält die Fasern in Position, während die Fasern hauptsächlich Zug und Druckkräfte übertragen. Dem Matrixsy- stem kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. (suter 2015) Matrixsysteme Matrixsysteme für FVW sind Thermo- oder Duroplaste. Thermoplaste sind wesentlich besser recyc- lebar, quasi unbegrenzt lagerfähig und nicht toxisch. Auf der anderen Seite haben Thermoplaste aber auch eine hohe Schmelzviskosität und Kriechneigung, weshalb sie einen zwar ansteigenden aber im- mer noch geringen Stellenwert in der Verwendung mit FVW haben. Duroplaste entstehen beim Mischen des Harzes mit dem Härter. Der Vorgang ist irreversibel und führt nach einer anfangs kautschukartigen Form zu einem Glaszustand. Die Dauer dieses Vorgangs wird als Gel- oder Gelierzeit bezeichnet. Die Temperatur für die Vernetzung der Moleküle heisst Glasüber- gangs- oder Einfriertemperatur. Die wichtigsten Duroplaste für FVW sind Polyester- und Epoxydharze. (Neitzel, Mitschang und Breuer 2014)
  • 18. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 17 Die nachfolgende Tabelle zeigt die Vor- und Nachteile der für FVW wichtigsten Matrixsysteme: Polyesterharz Epoxydharz + Harz/Härter-Verhältnis in bestimmtem Be- reich variabel + günstig + hohe Eignung für Glasfasermatten - Harz/Härter-Verhältnis muss genau stim- men - teuer - schlechte Eignung für Glasfasermatten - tiefere Zugfestigkeit: 40 – 80 MPa - starke Geruchsentwicklung - schlechte Klebeigenschaften - schrumpft stärker beim Aushärten + höhere Zugfestigkeit: 45 – 85 MPa + geruchslos + gute Klebeigenschaften + schrumpft kaum beim Aushärten + hohe Hydrolyse-Beständigkeit (fiberglas-discount.de 2015)/ (Neitzel, Mitschang und Breuer 2014) Die Verarbeitungs- oder Topfzeit der Matrixsysteme kann durch Zugabe des Härters beeinflusst wer- den. Damit ändern sich auch die Härtungsparameter. Nachfolgend ein Auszug aus der Tabelle des in Kapitel 4.1 verwendeten Epoxydharz Typ L: Spezifikation mit Härter L S SF EPH 161 Topfzeit 40 Min 20 Min 15 Min 90 Min Mischverhältnis (Gewicht) 100:40 100:40 100:20 100:25 Mischverhältnis (Volumen) 100:45 100:45 100:21 100:28 Viskosität (25°C/mPas) 320 370 1200 179 Entformbar nach (20°C) 10 h 9 h 6 h nein Aushärtungszeit (20°C) 20 h 20 h 12 h 20h + tempern (OCP 2015) (suter 2015) Das Matrixsystem wird demnach anhand der Verarbeitungszeit und Bauteilgrösse/-geometrie gewählt. Ausserdem ist die Wärmebeständigkeit des fertigen Bauteils ebenfalls abhängig vom Harz und gege- benenfalls einem anschliessendem Tempern. Handlaminieren drucklos Für das drucklose Handlaminieren eigenen sich bereits sehr günstige formgebende Werkzeuge ohne spezielle Anforderung an deren Festigkeit. Eine entsprechende Oberflächenbehandlung ist aber in je- dem Fall notwendig, für die Oberflächengüte und um das Bauteil nach dem Aushärten entformen zu können. Durch die fehlende Kompression des Laminats und ohne Absaugen des überschüssigen Harzes sind nur niedrige Faservolumengehalte erreichbar. Dies bedeutet im Vergleich zu anderen Verfahren ein höhe- res Gewicht bei gleicher Festigkeit bzw. eine niedrigere spezifische Steifigkeit des Bauteils. Sandwichstrukturen sind nur bedingt realisierbar, weil die notwendige Anpressung der Deckschichten auf den Kern fehlt. Bei sehr grossen Bauteilen kann ausserdem eine kurze Topfzeit des Harzes zum Problem werden. Bzw. ist ein Tempern für eine vollständige Aushärtung notwendig, was wiederum höhere Anforderungen an das Werkzeug stellt.
  • 19. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 18 Handlaminieren Vakuumpressen Durch das Verpacken des Laminats in eine luftdichte Folie bzw. einen Sack, kann dieses mit atmosphä- rischem Druck komprimiert werden und das überschüssige Harz im Vliess aufgenommen werden. Da- durch können Faservolumengehalte bis 50% erreicht werden. Auch bei diesem Verfahren ist bei Sandwichstrukturen eine ausreichend starke Verbindung zwischen Deckschicht und Kern nur mässig gut realisierbar. Dies zeigt sich beim Test der Panels in Kapitel 4.3. Der Druck kann aber andersherum für einen schwachen Kern auch zu hoch sein. Dann kann mittels Falschluftventil der atmosphärische Druck angepasst werden. Bei allen Verfahren des Handlaminierens ist der Arbeitsaufwand sehr hoch. Ausserdem ist einige Er- fahrung notwendig, um das richtige Verhältnis zwischen Harz und Fasern zu treffen. 3.3.2 Prepreg Bei Prepregs (pre = vor, im-preg-nated, imprägniert) sind die Fasern bereits mit dem Harzsystem im- prägniert. Das Anmischen des Harzsystems und das lagenweise Laminieren entfällt deshalb und man spricht nur noch vom „Ablegen“. Ursprünglich kommt diese Technik aus der Luftfahrtindustrie. Sie hat sich vor allem aus Gründen der guten Automatisier- und Reproduzierbarkeit, sowie dem hohen Faser- volumengehalt etabliert. Prepregs gibt es in verschiedenen Formen: Halbzeug Eigenschaften SlitTape/TowPreg Abbildung 10: Slit-Tape 6,35 mm auf Spule  Ablage auf komplexen Geometrien  hohe Steifigkeit und Festigkeit in einer Richtung UD-Gewebe Abbildung 11: UD-Prepreg auf Rolle  Steifigkeit und Festigkeit vornehmlich in einer Richtung
  • 20. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 19 Gewebe Abbildung 12: Gewebe-Prepreg auf Rolle  Steifigkeit und Festigkeit in zwei Rich- tungen  gute Handhabung/Drapierbarkeit  unterschiedliche Webstile  Möglichkeit von Hybridgeweben MAG Abbildung 13: Schematischer Aufbau eines Geleges  Multiaxialgelege  Steifigkeit und Festigkeit in unterschied- lichen Richtungen  Keine Welligkeit Quelle Tabelle und Abbildungen: (Lengsfeld, et al. 2015) Eigenschaften von Prepregs  genau definiertes Faser-Matrix-Verhältnis im Bereich zwischen 2,5% bis zu 1,0%.  Typischer Faservolumengehalt nach Aushärtung: 60%  zero-bleed-Prepregs (jüngste Generation) kaum Harzverlust bei Aushärtung  nur beschränkt lagerfähig bei – 18°C zwischen 6 – 18 Monaten Prepregs haben deshalb ein Verfalldatum. Nach diesem Datum dürfen die Prepregs nicht mehr für zertifizierungspflichtige Anwendungen verwendet werden.  Bei Raumtemperatur sind Prepregs typischerweise bis zu 30 Tage lagerfähig. In der Praxis wird Buch geführt/die Zeit notiert, sobald eine Prepreg-Rolle aus dem Kühler entnommen wird, bis sie wieder zurückgelegt wird. So kann ein Einhalten der Outlife-Time sichergestellt werden. (Lengsfeld, et al. 2015), (OCP 2015) Verarbeitung von Prepregs Prepregs können von Hand oder auch automatisiert zu Bauteilen verarbeitet werden. Beim Ablegen von Geweben wird das beidseitig klebrige Fasergewebe von den Träger-/Trennpapieren gelöst und in/auf der Form drapiert. Die Klebrigkeit (Tack) bestimmt, wie gut sich ein bereits abgelegtes Gewebe abheben und neu positionieren lässt. Wichtig ist auch, dass Lufteinschlüsse vermieden werden. Die Prepregs sollten leicht angedrückt werden. Eingeschlossene Luftblasen können evtl. mit einem Kunst- stoffspachtel oder durch vorsichtiges Anstechen mit einer Nadel entfernt werden. Bei komplexen, mehrlagigen Bauteilen kann auch jeweils ein Zwischenvakuum angewendet werden. Dabei wird das ganze Bauteil oder werden einzelne Bereiche mit einer Folie abgedichtet und während 10 – 30 min unter Vakuum gehalten. So können beispielsweise bei einem Sandwichaufbau die unter- sten Gewebelagen vorkompaktiert werden, bevor der Kern mit einer Klebeschicht aufgebracht wird. So können Lufteinschlüsse effektiv vermieden werden.
  • 21. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 20 Für komplexe Serienbau- teile wird in der Regel ein Plybook erstellt und die ein- zelnen Gewebestücke vor- gängig zugeschnitten. Für einen Prototypen wie das FSAE-Chassis würden die einzelnen Plys sinnvollerweise in situ für jede Lage zugeschnitten. Zur Dimensionierung kann eine Folie genutzt werden, welche provisorisch im Werkzeug positioniert und anschliessend auf das Prepreg übertragen wird. Aushärtung von Prepregs Prepregs sind sehr lange haltbar und deren Matrixsysteme reagieren bis zu 18 Monate kaum. Auch bei Raumtemperatur härten Prepregs nur sehr langsam aus. Aus diesem Grund ist zusätzli- che Wärmeenergie notwendig, um die Gitterver- bindungen im Harz vollständig aufzubauen. Pre- pregs werden deshalb typischerweise bei Tempe- raturen zwischen 115 und 140°C während meh- reren Stunden ausgehärtet. Die Aushärtungsparameter werden einerseits durch die Herstellerangaben der verwendeten Prepregs festgelegt. Andererseits hat die Bauteil- geometrie und –grösse, sowie die Form (Material und Wandstärke) einen grossen Einfluss auf die Wärmeübertragung auf das Bauteil. Durch den zusätzlichen Druck können Bauteile von sehr hoher Qualität hergestellt werden. Der Autoklav hat den grossen Vorteil, dass alle Bau- teiloberflächen unabhängig von Grösse und Geo- metrie denselben Druck erfahren. Ein typisches Druckprofil ist in der Grafik rechts zu sehen. Ener- gietechnisch wäre es sinnvoll, möglichst früh Druck aufzubauen, da die Wärmeübertragung im Inertgas bei hohem Druck grösser ist. Aus Gründen des hydrostatischen Harzdrucks und der Harzvis- kosität ist ein korrektes Druckprofil jedoch einzuhalten. (Lengsfeld, et al. 2015) Abbildung 14: Schnitt-Muster auf ei- ner Gewebelage (Lengsfeld, et al. 2015) Abbildung 15: Typischer Härtungszyklus für Prepreg-Bauteile (Lengsfeld, et al. 2015) Abbildung 16: Herkömmliches Druckprofil bei der Autoklav- härtung (Lengsfeld, et al. 2015)
  • 22. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 21 Ein Autoklav besteht aus folgenden Komponen- ten:  Druckkammer  Steuereinheit  Heissgaserzeuger  Vakuumsystem In der Druckkammer können Drücke von mehre- ren Dutzend bar aufgebaut werden. Für Prepregs nutzt man Drücke bis zu ca. 7 bar. Der Maximal- druck hängt jedoch vom verwendeten Prepreg und dem Bauteil ab. Eine Sandwichstruktur kann beispielsweise je nach Kernmaterial nicht mit be- liebig hohem Druck belastet werden. Die Steuereinheit kontrolliert das Temperatur- und Druckprofil. Der Heissgaserzeuger arbeitet in der Regel mit einem Inertgas wie N2 oder CO2. Es wäre auch Luft möglich, allerdings bestünde dann Brandgefahr bei hohen Temperaturen. Das Vakuumsystem verfügt in der Regel über mehrere Anschlüsse in der Druckkammer, um separate Vakua aufzubauen bei komplexen oder mehreren Bauteilen. Prepregs für das FSAE-Chassis Wie anfangs Kapitel erwähnt liegt einer der Vorteile von Prepregs bei der guten Reproduzierbarkeit. Durch das genaue und stabile Faser-Matrix-Verhältnis können mehrere Bauteile gleicher Qualität her- gestellt werden. Dies ist vor allem bei Serienbauteilen von grosser Bedeutung. Aber auch für ein FSAE- Chassis ist dies von Bedeutung, da bei einem geprüften Testmustern, die mechanischen Eigenschaften auf das Chassis übertragen werden können. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Handhabung. Es ist auch mit wenig Erfahrung möglich, nach Anleitung eine gute Bauteilqualität zu erreichen, während beim Nasslaminieren die Erfahrung von viel grösserer Bedeutung ist. Bei sauberem Ablegen der Ge- webe und korrektem Aushärtungsprozess sind die mechanischen Eigenschaften des Bauteils wesent- lich besser zu prognostizieren, da der Harzgehalt bekannt und homogen ist. Es ist mit anderen Verfah- ren kaum möglich, eine so hohe Bauteilqualität zu erreichen, was die spezifische Steif- und Festigkeit anbelangt. Nachteile von Prepregs und explizit des Autoklav-Verfahrens sind die sehr hohen Kosten. Neben dem Verfahren, ist auch das Halbzeug rund doppelt so teuer wie das trockene Gewebe. Preis/m2 Carbon-Gewebe Köper, 462, 245g/m2 CHF 26.901 CF-Prepreg Köper, 462, 245g/m2 CHF 56.052 Quelle: (suter-kunststoffe 2015) Bei Bestellung: 1 von 50m2 (50Lfm auf 100cm-Rolle), 2 von 60m2 (50Lfm auf 120cm-Rolle) Ofen/Out-of-Autoclave Es gibt mittlerweile auch Prepregs, welche nicht im Autoklav ausgehärtet werden müssen. Man nennt diese entsprechend OoA-Prepregs. Der Vorteil liegt auf der Hand, da der teure Autoklav-Aushärtungs- prozess entfällt. Allerdings können auch nicht ganz die gleich hohen mechanischen Eigenschaften er- zielt werden. Die längere Aufheizzeit führt zu einer heterogeneren Temperaturverteilung im Bauteil. Abbildung 17: Autoklav der Firma OCP Kunststofftechnik in Lyss
  • 23. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 22 Die Porosität bei im Ofen ausgehärteten Bauteilen liegt zwischen 5 und 10%, während im Autoklav Werte von 1 – 2% erzielt werden können. (Lengsfeld, et al. 2015) 3.3.3 Wickeltechnik Der Aufbau einer Wickelapparatur gleicht der ei- ner Drehbank. Ein Kern wird in der Längsachse auf eine angetriebene Achse aufgebracht. Anschlies- send wird dieser gedreht und die Fasern werden auf den Kern aufgewickelt. Der sich drehende Kern muss deshalb rotationssymmetrisch sein. Bei einfachen Formen kann der Kern anschliessend herausge- zogen werden. Axiale Hinterschneidungen sind realisierbar, wenn der Kern im Endbauteil verbleibt oder ein verlorener Kern (wird nach einmaliger Verwendung zerstört) eingesetzt wird. Die Wickeltechnik wird hauptsächlich für Bauteile mit axial homogen verteilter Belastung genutzt. So zum Beispiel für Rohre, Masten, Drucktanks und Silos. Auch Raketenbooster wurden schon mit der Wickeltechnik gefertigt. Beispiele für Fahrzeugchassis konnten jedoch bis zum jetztigen Zeitpunkt nicht gefunden werden. (Neitzel, Mitschang und Breuer 2014) Die notwendige Infrastruktur ist teuer, gerade für grosse Bauteile wie ein Chassis. Ausserdem hat man bei der Geometrieerstellung viele Einschränkungen, welche mit Ablege- und Laminierverfahren we- sentlich zweckmässiger realisiert werden können. 3.3.4 Infusions-/Injektionsverfahren Bei einem Infusions-/Injektionsverfahren wird das Harz ins vorgängig in einer Form drapierte trockene Halbzeug gebracht und im Anschluss ausgehärtet. Man unterscheidet dabei zwischen dem VARI-Ver- fahren, bei welchem das Harz mit Hilfe eines Vakuums in/durch das Halbzeug gesogen wird (Infusion). Weiter gibt es das RTM-Verfahren, bei welchem das Harz mit Druck (Injektion) in das in zwei verschlos- senen Formen vorliegende Halbzeug gepresst wird. Die Kombination beider Techniken wird als VARTM bezeichnet. Mit einem offenen Werkzeug wie beim FSAE-Chassis kommt das Infusions-Verfahren in Frage. Der grosse Vorteil ist, dass das Gewebe ohne Zeitdruck in der Form drapiert werden kann. Anschliessend wird es mit einer Folie luftdicht verpackt und das Harz wird mit Hilfe einer Va- kuumpumpe aus einem Vorratsbehälter durch das Gewebe gesaugt. Die Investitionskosten sind aus diesem Grund sehr niedrig. Die Infusionsdauer ist natürlich abhängig von der Bau- teilgrösse und Geometrie. Bei einer Chassislänge von rund zwei Metern sind auch mehrere Infusionspunkte denkbar, bei einer mittleren Dauer von ca. 30 min. Es ist ein Faservolumen- gehalt von rund 50% erreichbar. Abbildung 19: Grundformen der im Wickelver- fahren herstellbaren Körper (Neitzel, Mitschang und Breuer 2014) Abbildung 18: Definition von Umfangs- und Kreuzlagen (Neitzel, Mitschang und Breuer 2014) Abbildung 20: Vakuum-Infusionsverfahren beim Chassis der KIT (KA-Racing 2015)
  • 24. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 23 Bei sehr grossen oder komplexen Bauteilen sollte die Infusion in mehreren Schritten erfolgen. Bei ei- nem FSAE-Chassis können in einem ersten Schritt die äussersten Gewebeschichten infundiert werden und anschliessend der Kern mit Deckschicht. Bei der Infusion von Sandwichstrukturen ist bereits beim Aufbau auf die Integration von Fliesskanälen zu achten, damit das Harz das Kernmaterial passieren kann. Durch das Vakuum wird neben dem Harztransport auch noch gleichzeitig das Bauteil durch den Atmosphärendruck kompaktiert. 3.4 Faserwahl Obwohl im Titel dieser Arbeit von einem CFK-Monocoque die Rede ist, werden 4 weitere Fasertypen kurz vorgestellt. Glas-, Kohlenstoff- und Aramid-Fasern gehören zu den verbreitetsten Fasertypen: Die entscheidenden Unterschiede der Fasern beziehen sich auf die Steifigkeit, die Dichte und den Preis. Darüber hinaus gibt es noch weitere zu beachtende Faktoren wie die Chemikalienbeständigkeit und die Schlagfestigkeit. Deshalb gibt es gerade für Anwendungen wie ein Fahrzeugchassis auch Gewebe- typen, bei welchen zwei Fasertypen gemischt vorkommen. Untenstehende Tabelle zeigt die wichtig- sten Unterschiede: Kohle Glas Aramid Polyethylen Basalt E-Modul längs x 103 [N/mm2 ] 230 – 450 55 – 87 67 – 130 89 – 116 91 – 110 Dichte [g/cm3 ] 1,71 – 1,9 2,14 - 2,55 1,44 - 1,45 1,54 - 1,56 0,97 Preis [CHF/m2 ] 24 – 130 5 – 20 22 – 65 43 – 53 11 – 16 Quelle Werkstoffdaten: (Schürmann 2007), Quelle Preise: (suter 2015) Die Kohlefaser ist klar der Fasertyp mit den herausragendsten mechanischen Eigenschaften, dies aber auch zum höchsten Preis. Fertigt man ein mechanisch gleichwertiges Bauteil mit Glasfasern, hat dies wegen der höheren Dichte ein höheres Endgewicht. Der Preis von Glasfaser-Halbzeug ist jedoch rund fünfmal niedriger. Die Aramidfaser (unter dem Markennamen Kevlar bekannt), weist eine geringere Dichte als die Kohle- faser auf, jedoch auch eine erheblich niedrigere Steifigkeit. Die Aramidfaser weist eine bessere Zähig- keit auf als ihre Mitkonkurrenten und wird bei schlagbeanspruchten Bauteilen deshalb häufig im Ver- bund mit Kohlefasern eingesetzt. Die Aramidfaser weist ein besseres Steifigkeitsgewicht als die Glas- faser auf, ist aber auch teurer. Die Polyethylenfaser (unter dem Markennamen Dyneema bekannt) liegt mit der Steifigkeit zwischen Glas und Aramid und ist ebenfalls relativ leicht. Abbildung 21: Rasterelektronenmikroskop (REM)-Aufnahme der gebräuchlichsten Verstär- kungsfasern (Schürmann 2007)
  • 25. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 24 Die Basaltfaser ist eine Faser aus vulkanischem Gestein. Die einzige Naturfaser im Vergleich zeichnet sich durch eine hohe Temperaturfestigkeit (700°C) und chemische Beständigkeit aus. (Schürmann 2007) Die Entscheidung des Fasermaterials ist relativ einfach: Falls es finanziert werden kann, kommt die Kohlefaser für ein Fahrzeug in Frage. Für Bereiche ohne Festigkeitsansprüche oder Verkleidungen mit nur wenigen Schichten, kann die Glasfaser in Betracht gezogen werden, um Kosten zu sparen. Bei nur kleinen Mengen dürfte dies keinen grossen Einfluss auf das Endgewicht haben. Aramidfasern kann man im Verbund für schlagbeanspruchte Stellen in Betracht ziehen. 3.5 Tooling Unter Tooling ist, im Vergleich zum Fertigungsverfahren, der formge- bende Prozess gemeint. Er ist massgeblich von der Chassis-Geo- metrie bestimmt und hat auch ei- nen grossen Zusammenhang mit dem Fertigungsverfahren. Es wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass man die hochwertige Oberflä- che auf der Aussenseite des Chassis will, weshalb das Werkzeug ein Negativ sein muss. Rein technisch wäre es selbstverständlich möglich, direkt auf eine positive Form zu laminieren/abzulegen, allerdings wäre die undefinierte Oberfläche dann auf der Aussenseite. Urform  Werkzeug Direkt Werk- zeug Ohne Form  Hilfsrahmen1-teilig 2-teilig 1-teilig x-teilig Mögliche Geometrie- Komplexität hoch hoch mittel hoch mittel niedrig Ofen/Autoklav möglich ja ja ja ja ja/begrenzt nein Arbeitsaufwand mittel hoch mittel hoch niedrig niedrig Kosten mittel hoch mittel hoch niedrig niedrig 3.5.1 Urform  Werkzeug Bei dieser Variante wird Das Chassis in zwei Schritten abgeformt. Als erstes wird eine Urform erstellt. Die Urform entspricht dabei Aussengeometrie des Chassis. Anschliessend wird anhand der Urform ein Werkzeug hergestellt, mit welchem das Chassis abgeformt wird. Abbildung 22: Tooling-Konturen (Lengsfeld, et al. 2015) Abbildung 23: Obere Fahrzeughälfte: Links die lackierte Urform, Rechts das Werkzeug (bereits mit der unteren Werkzeughälfte verschraubt)
  • 26. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 25 Urform Die Urform bildet die Aussengeometrie des Chassis exakt ab. Sie kann entweder manuell geformt wer- den oder mittels CNC gefräst werden. Sowohl manuell, aber um so mehr mit CNC ist das Formen eines Positivs einfacher, als dies bei einem Negativ der Fall wäre. Gerade Verengungen und Spalten sind nur mühsam zugänglich und je nach Dimension und Freiheitsgrad der CNC-Fräse gar nicht machbar. Weiter stellt sich die Frage ob das Chassis mit nur einer Urform herstellbar ist. Dies wiederum hängt von der Chassis-Geometrie und der Fräse ab und muss im Einzelfall abgeklärt werden. In den meisten Fällen wird die Urform jedoch als zweiteilige Variante ausgeführt. Der grosse Vorteil der CNC-Fräse ist natürlich der geringe ma- nuelle Arbeitsaufwand. Die Oberfläche des Chassis kann als .stp-Datei direkt aus dem CAD exportiert werden. Je nach Frä- sentyp kommt anschliessend noch der Programmieraufwand der Maschine hinzu. Ein weiterer Vorteil ist, dass wichtige Pe- ripherie-Positionen wie Fahrwerksaufnahmepunkte, Positio- nen für Inserts und Gurtbefestigungen direkt mit einer Boh- rung markiert werden können. So können Stifte eingesetzt und die Positionen auf das Werkzeug übertragen werden, was den Arbeitsablauf ungemein erleichtert und die Genauigkeit massgeblich verbessert. Der Nachteil einer CNC-Fräse sind hohe Kosten, da viele Arbeiten nicht von Studenten ausführbar sind: Programmieren 8h à CHF 120.- CHF 960.- Einrichtung/Vorrichtung CNC 4h à CHF 120.- CHF 480.- Fräse CNC 5-Achs; Zeit inkl. 1 Mann 8h à CHF 120.- CHF 960.- Reinigung, Kontrolle, Aufräumen 2h à CHF 120.- CHF 240.- TOTAL CHF 1‘440.- Quelle: Berner Fachhochschule, Institut für Holzbau, Tragwerke und Architektur Ausserdem müssen teils teure Fräsblockmaterialien verwendet werden. Die Wahl des Materials für die Urform hängt von verschiedenen Faktoren ab. Einerseits vom Handling (Gewicht), von den Endeigen- schaften und vom Preis.  Handling Die Urform muss zum Laminieren des Werkzeugs bewegt und transportiert werden. Bei Voll- material kann mit einem Gewicht von rund 500 kg gerechnet werden.  Endeigenschaften Neben der Fräsbarkeit ist die Oberflächenbeschaffenheit nach dem Fräsen von grosser Bedeu- tung. Die Fläche sollte sehr hart und dicht sein, damit ein Werkzeug darauf laminiert, ausge- härtet und wieder entformt werden kann. Bei Ofenaushärtung oder Autoklavverfahren ist ausserdem die Wärmebeständigkeit, der Wärmeausdehnungskoeffizient und die Druckstabili- tät von Bedeutung.  Preis Tooling-Blöcke sind sehr teuer. Mit besserem Material kann dafür meist Nachbearbeitungszeit eingespart werden. Für das FSAE-Chassis müssen etwa 1,5 m3 für eine Kastenform bzw. 3m3 für Vollmaterial eingeplant werden. Abbildung 24: 5-Achs-Fräse von OCP Kunststofftechnik in Lyss
  • 27. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 26 UrformmaterialDämmplatteEPS403 0.60 40 sehrgünstig schwachemecha- nischEigenschaften grosseOberflä- chennachbehand- lungnötig 1 (suter2015), 2 (GlobalToolTradingAG2015) 3 (BFH2015) AlleDatenblätterimAnhang. MDF3 1.20 750 günstig gutfräsbar hoheDichte grosseOberflä- chennachbehand- lungnötig SikablockM1502 2.502 150 leichtemechanische Bearbeitbarkeit sehrgeringeWär- meausdehnung SikablockM3302 2.90 240 leichtemechanische Bearbeitbarkeit sehrgeringeWär- meausdehnung sehrdichtefeine Oberfläche sehrgutesstaubar- mesFräsverhalt RAKU-ToolWB06-911 8.40 690 sehrfeineOberflä- chenstruktur sehrgutfräsbar guteDimensionssta- bilität Wärmeformbestän- digkeitbis110°C hoheDichte Kosten [CHF/dm3 ] Dichte[kg/m3 ] Eigenschaften Abbildung25:DasBauteillinkswurde mitRUKA-ToolCP6100abgeformt, dasBauteilrechtsmitWB0750.Die OberflächedesrechtenBauteilsist deshalbporöser.
  • 28. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 27 Werkzeug Beim 2-stufigen UrformWerkzeug-Verfahren wird das Werkzeug mit Hilfe der Urform hergestellt. Die Vorteile dieser Methode liegen in folgen- den Punkten:  aufwändigere Formen realisierbar dank Fräsen von Positiv statt Negativ  mehrteiliges Werkzeug möglich  Kohlefaser als Werkzeugmaterial einsetzbar: + identische Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Aushär- tung im Ofen/Autoklav + sehr gute mechanische Eigenschaften (Festigkeit) + sehr gute Oberflächenbeschaffenheit + Werkzeug mehrmals einsetzbar Für ein FSAE-Chassis ist das Werkzeug im Idealfall zwei- oder mehrteilig. Ein einteiliges Werkzeug wäre mit einem verlorenen Kern denkbar, allerdings wird dadurch der Laminier/Ablege-Prozess sehr müh- sam. Ein mehr als zweiteiliges Werkzeug ist dann erforderlich, wenn Hinterschneidungen nicht vermie- den werden können. So können die einzelnen Werkzeugteile nach der Aushärtung entformt werden. 3.5.2 Direkt Werkzeug Wenn die Urform eingespart werden will, kann das Werkzeug auch direkt in einen Toolingblock gefräst werden. Für die Wahl des geeigneten Mate- rials kann die Tabelle der Urform zu Hilfe genommen werden. Will man das Chassis aus Prepreg im Autoklav-Verfahren herstellen oder im Ofen aus- härten, schränkt dies die Wahl ein und erfordert hochwertigeres und damit auch teureres Material, wie z.B. Epoxy-Tooling-Block. Die Temperatur und Druckbeständigkeit ist dann von grosser Bedeutung. Ausserdem kann da- von ausgegangen werden, dass das Werkzeug bereits nach einem ersten Aushärtungsprozess im Ofen oder Autoklav, massiv geschädigt wird. Bei einem FSAE-Chassis, der als Prototyp ein Einzelstück ist, dürfte dies jedoch kein Problem sein. Viel wichtiger ist jedoch die Beachtung des Wärmeaus- dehnungskoeffizienten. Sind diese beim Werkzeug und beim Bauteil unter- schiedlich, so muss dies bei der Dimensionierung des Werkzeugs berück- sichtigt und einkalkuliert werden. 3.5.3 Ohne Form  Hilfsrahmen Wenn man komplett auf ein formgebendes Werkzeug verzichten will, kann man dies mit der Cut-and-Fold-Technik oder einem Hilfsrahmen realisie- ren. Die vorgefertigten Panels werden mit dem Hilfsrahmen in Position ge- bracht um die Kontaktflächen miteinander zu verbinden. Abbildung 26: Werkzeug aus Tooling-Prepreg Abbildung 27: Werkzeug-Ne- gativ aus Ureol-Tooling-Block der KIT (KA-Racing 2015) Abbildung 28: Hilfsrahmen aus Holz bei der Cut-and-Fold- Technik der Edith Cowan Uni- versity (Ayres 2010)
  • 29. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 28 3.6 Punktlastkonzept Verbundwerkstoffe mit Kohlefasern haben herausragende mechanische Eigenschaften, was die spezi- fische Steif- und Festigkeit betrifft. Auf der anderen Seite können Zug und Druckkräfte fast aus- schliesslich nur in Faserrichtung übertragen werden. Bei einem FSAE-Chassis gibt es jedoch diverse Stellen, bei welchem hohe Scherkräfte wirken. Bei den Fahrwerksaufnahmen oder Gurtbefestigungen wirken punktuell hohe Kräfte quer zur Faserrichtung. Für diese Stellen müssen deshalb zusätzliche Lö- sungen gefunden werden. Spanten Inserts ein- laminiert Inserts nach- träglich Composite- Schrauben/ Muttern Bleche Fertigungs- aufwand sehr hoch hoch hoch niedrig mittel Einbauauf- wand hoch sehr hoch mittel hoch hoch globale Ver- steifung ja nein nein nein nein 3.6.1 Spanten Mit Spanten können im Sinne der Integralbauweise vorgefertigte Elemente in die flächigen Sandwich- strukturen verbaut werden. So können ausgewählte Stellen (z.B. vorderer Überrollbügel und auf Höhe der Vorderachse) versteift werden. Spanten können aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen oder ebenfalls aus Kohlefaser gefertigt sein. Die vorgängig gefertigten Spanten werden nach dem La- minieren der äussersten Gewebelage ins Chassis integriert und fixiert. Zur Fixierung können Klebstoff und zusätzliche Gewebelagen dienen. Der Vorteil dieser Methode ist, dass man maximale Steifigkeit dort erreicht, wo man die Spanten einsetzt und die Kräfte sich intern im Spant ausgleichen, da der Spant eine geschlossene Form/Kreis bildet. Ausserdem kann mit der Integralbauweise der Fertigungsprozess vereinfacht werden. Mit Spanten kön- nen gleich zwei Ziele abgedeckt werden: Einerseits die globale Verstärkung des Chassis und andererseits die Verteilung der Punktlasten auf eine grosse Oberfläche. Der Nachteil kann das höhere Gewicht sein, je nach verwen- detem Material. Ausserdem muss die Fertigungsgenauigkeit des Spants sehr hoch sein, um passgenau ins Chassis einge- setzt werden zu können. Bei Spanten aus Kohlefasern müssen dafür eigens Werkzeuge gefertigt werden. Abbildung 29: Die untere Hälfte eines F1-Mo- nocoques verstärkt mit Spanten (F1Technical 2004)
  • 30. Konzeptwahl FSAE CFK Monocoque Chassis 29 3.6.2 Inserts einlaminiert Mit Inserts werden Punktlasten effektiv neutralisiert, indem diese durch ein zusätzliches Bauteil auf eine grössere Oberfläche verteilt werden. Zu- sätlich wird ein druckschwacher Kern des Sandwichaufbau’s lokal ver- stärkt. Die Positionierung der Inserts während dem Fertigungsprozess, kann mittels Verstiftungen oder Gewindehülsen im Werkzeug realisiert werden. Die Inserts werden nach der äussersten Gewebelage, an den ge- frästen oder manuell abgemessenen Positionen auf dem Werkzeug justiert und mit Klebstoff und zusätzlichen Gewebelagen fixiert. Der grosse Vorteil der Inserts ist, dass diese in diversen Formen individuell gefertigt werden können. So können einerseits sehr aufwendige, passge- naue Teile gefertigt werden, andererseits kann das Chassis auch so ausge- legt werden, dass baugleiche Inserts an verschiedenen Stelle eingesetzt werden können, womit wiederum Kosten eingespart werden. Als Nachteil ist der hohe Fertigungsaufwand zu nennen. Ausserdem wird durch die Inserts das Chassis nicht global verstärkt, sondern lediglich die Punktlasten neutralisiert. 3.6.3 Inserts nachträglich Inserts können auch nachträglich verbaut werden. Das fertig ausgehärtete Chassis wird nach dem Aus- härten an den entsprechenden Stellen aufgebohrt bzw. ausgefräst. Anschliessend wird das Bauteil ver- klebt und gegebenenfalls mit zusätzlichen Gewebelagen laminiert. Der Vorteil ist, dass der Fertigungsaufwand ohne einlaminierte Inserts stark vereinfacht wird. Der Nachteil ist, dass die Fasern bei nachträglichen spanenden Arbeiten zerstört werden, was zu Steif- und Festigkeitseinbussen führt. Zusätzlich ist die nachträgliche Positionierung wesentlich aufwändiger. 3.6.4 Composite-Schrauben/Muttern Anstelle von individuell gefertigten Insert-Bauteilen kann auf bereits exi- stierende Produkte zurückgegriffen werden. Der Einlaminierprozess funk- tioniert dabei gleich wie bei den Inserts. Der Vorteil sind die massiv tieferen Kosten. Der Nachteil ist, dass die Anforderungen mit existierenden Produkten un- ter Umständen nicht abgedeckt werden können und die Geometriefreiheit des Chassis einschränken. Abbildung 30: Insert bei der Fertigung zwischen Alu-Ho- neycomb verklebt. Abbildung 31: Composite- Schraube/Mutter für ca. CHF 1.- (suter 2015)
  • 31. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 30 4 Fertigungssverfahren Die in der Konzeptwahl beschriebenen Fertigungsverfahren bestimmen das FSAE-Chassis bezüglich Op- tik, Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit und Robustheit. Je nach Wahl des Halbzeugs kommen nur be- stimmte Fertigungsverfahren und umgekehrt in Frage. Um die Fertigungsverfahren im allgemeinen zu studieren findet man diverse Fachliteratur. Im Anhang findet man einen Überblick von swiss-compo- site. Ich werde im nächsten Abschnitt auf zwei für ein FSAE-Chassis in Frage kommende Fertigungsver- fahren eingehen. Wie bereits erläutert, ist der Fertigungsprozess bei FVW im Vergleich zu metallischen viel massgeben- der an der Endqualität des Bauteils beteiligt. Die verschiedenen Möglichkeiten wurden in den Grunds- ätzen bereits im Kapitel 3 Konzeptwahl behandelt. Zu Beginn dieses Projekts gibt es verschieden Unklarheiten:  Wie ist das Handling von Kohlenfasermaterialien?  Welche Arbeiten sind von Studenten ausführbar? / Wo braucht es Spezialisten?  Welche Schutzmassnahmen müssen getroffen werden?  Welche Infrastruktur wird benötigt? (Räumlichkeiten, Maschinen, Hilfsstoffe) Solche Fragen sind nur unbefriedigend in der Theorie zu beantworten. Aus diesem Grund wurde ein praktischer Versuch durchgeführt. Mit folgenden Zielen:  Beantwortung praxisrelevanter Fragen bezüglich Handling und Schwierigkeiten  Beantwortung der Grundsatzfrage „Nasslaminat oder Prepreg?“  Einen ersten Anhaltspunkt für einen möglichen Aufbau für das Chassis erarbeiten  Erstellung eines ersten Test-Panels, so wie es von der SAE gefordert wird Mit OCP in Lyss wurden zwei Sandwichpanels im vorgeschriebenen Format 500 x 275 mm hergestellt. Die Dimension kommt aus dem SAE-Reglement. Im nachfolgenden Abschnitt werden die einzelnen Schritte dokumentiert und miteinander verglichen.
  • 32. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 31 4.1 Nasslaminat und Prepreg im Praxis-Vergleich Es wurde versucht, zwei vergleichbare Panels in den unterschiedlichen Fertigungsverfahren herzustel- len. Die Köper-Gewebe des Nasslaminat und Prepregs haben nicht genau identische Flächengewichte. Die Summe aller Lagen im Panel ist mit 0.5% Unterschied jedoch beinahe identisch. Nasslaminat Abbildung 32: Lagenaufbau Nasslaminat Prepreg Abbildung 33: Lagenaufbau Prepreg Werkstoffdatenblätter im Anhang.
  • 33. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 32 Das Gewebe kommt in der Regel auf Rollen zu 60 Meter. Es gibt Rollen bis 200m. Gängige Rollenbreiten sind zwischen 900 und 1500 mm. (Lengsfeld, et al. 2015) Es wurde mit dem Cutter und Lineal auf die gewünschte Dimension zugeschnitten. Wichtig ist die Beachtung der Faserausrichtung, je nachdem, in welchem Winkel, das Gewebe anschliessend im Bauteil ausgerichtet sein soll. Das Gewebe ist 0°/90° aufgerollt. Nasslaminat Das trockene Gewebe kann bei Raum- temperatur gelagert werden. Es lässt sich gut abrollen, ist jedoch etwas schwierig zu drapieren, vorallem bei etwas weniger steifen Webstilen. Das Prepreg-Gewebe ist zwischen zwei Trenn-/Trägerfolien aufgerollt und wird bei -18°C gelagert. Es ist zwischen 6 und 18 Monaten lagerfähig, bei Raum- temparatur bis zu 60 Tagen (Outlife- Time). Prepreg Nachdem eine Prepregrolle aus dem Kühler geholt wird, muss diese zuerst auftauen, um sie verarbeiten zu können. Dies kann mehrere Stunden dauern. Wichtig ist, dass das Gewebe zum Verarbeitungszeitpunkt keine Kondens- feuchtigkeit mehr aufweist. Dies gilt auch für das Zurücklegen in den Kühler, um die Bildung von Eiskristallen zu vermeiden. Entweder also unmittelbar nach dem Herausnehmen wieder einfrieren oder vollständig auftauen. Während das Prepreg einfach mit mit einem Cutter zugeschnitten werden kann, ist das trockene Gewebe etwas labiler. Eine scharfe Klinge ist aber so oder so notwendig. Für einen geraden Schnitt und um möglichst wenig Fasern in 0°/90°- Ausrichtung zu zertrennen, kann ein Faden zur visuellen Hilfe herausgezogen werden. Mit einem Klebespray kann eine feine Klebeschicht auf das Gewebe gesprüht werden. Das gibt Stabilität und verhindert das Ausfransen und Auseinanderfallen des Gewebes. Das Prepreg-Gewebe hat unten und oben eine Trennfolie. Dies gibt zusätzliche Stabilität beim Zuschneiden und erleichtert das Handling. Je nach Gewebestärke braucht es jedoch etwas mehr Kraft als beim trockenen Gewebe.
  • 34. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 33 Nachdem die Glasplatte mit einem Trennmittel eingerieben wurde, werden die einzelnen Gewebelagen, beginnend bei der äussersten, Schicht für Schicht abgelegt. Bei einem komplexeren Bauteil, ist es ratsam, ein Plybook zu führen, in welchem dokumentiert wird, in welchem Bereich, welches Gewebe mit welcher Faserausrichtung abgeglegt wurde. Nasslaminat Das Harz wird mit dem Härter gemischt. Sehr wichtig ist dabei das richtige Misch- verhältnis. Anschliessend kommt eine erste Schicht auf die Glasplatte. Zwischen jede Gewebelage wird immer eine Schicht Harz aufgetragen und mit dem Roller verteilt. Mit einem Entlüftungs- roller wird die Luft unter dem Gewebe herausgedrückt um ein möglichst falten- freies Bauteil zu erhalten. Das Prepreg-Gewebe wird von den bei- den Trägerfolien abgezogen und abge- legt. Für die ersten 5 Gewebelagen kon- nte eine Stärke von 2,00 mm gemessen werden. PrepregAls Richtwert gilt das Gewichtsverhältnis von Harz zu Gewebe von etwa 1:1. Als Indiz für eine gute Sättigung dient die Gewebefarbe. Es wird dünkler/glänzt, wenn es Harz aufsaugt. Bevor der Wabenkern positioniert wird, kommt beim Prepreg eine Klebstofffolie auf die ersten 5 Gewebelagen. Damit soll der Kern schubfest mit den Decklagen verbunden werden.
  • 35. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 34 Der 10mm hohe Aramid-Wabenkern wurde an den Kanten ca. 45° angefast. So kann das Gewebe im Anschluss bündig und faltenfrei über den Kern abgelegt werden. Ausserdem wird damit verhindert, dass durch das Vakuum bzw. Autoklav-Druck, der Kern durch stirnseitige Belastung beschädigt wird. Durch das Harz auf dem Gewebe kann der Kern gut positioniert und fixiert werden. Die angefaste Kante des Wabenkerns ist oben. Beim Prepreg kommt der Kern auf die Klebstoffschicht und wird mit einer weiteren gedeckt. Die Ecken können für ein faltenfreies Laminat eingeschnitten werden. Nasslaminat Prepreg Die oberen 5 Gewebeschichten werden auf einer separaten Plastikfolie laminiert, um sie anschliessend auf die mit dem Kern gedeckten ersten 5 Gewebeschich- ten zu stürzen.
  • 36. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 35 Die Glasplatte ist rund um das Panel mit Harz verschmiert und sollte zur anschlies- senden luftdichten Verschliessung gerei- nigt werden. Lose Kohlefasern können ebenfalls entfernt werden. Einzelne Fransen, die jetzt auf dem Gewebe liegenbleiben, wären nach dem Aushär- ten auf der Oberfläche sichtbar, was jedoch für die strukturelle Bauteilqualität nicht relevant ist. Die Glasplatte des Prepregs ist absolut sauber und es kann ohne Zwischenschritt direkt weitergeabeitet werden. Nasslaminat Prepreg Es folgt eine Trennfolie (rot). Es trennt das klebrige Laminat vom Rest. Optional wäre ein Abreissgewebe, das eine definierte Oberflächenbeschaffenheit nach dem Aushärten erzielt. Darüber kommt eine Lochfolie/ Perforierter Trennfilm. Dessen Lochgrad bestimmt, wieviel Harz aus dem Laminat entweichen kann. Zuletzt kommt das Vliess/der Bleeder darüber. Er sorgt für ein gleichmässiges Vakuum auf dem Bauteil und nimmt das überschüssige Harz auf. Abbildung 34: Vakuumverfahren (suter 2015)
  • 37. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 36 Um ein möglichst faltenfreies Bauteil zu erhalten, wird dieses luftdicht verpackt. Je nach Anwendung gibt es verschieden Möglichkeiten. Anschliessend wird die Vakuumpumpe angeschlossen und die Dichtheit überprüft. Das schwarze Schaufelrädchen dient zur visuellen Dichtheitskontrolle. Das Nasslaminat wird mit einer Folie gedeckt und mit Dichtband verschlossen. Das Prepreg wird samt Glasplatte in einen Folienschlauch gelegt. Es wird beidseitig verschweisst. Nasslaminat Prepreg Der Aushärteprozess wird massgebend vom Harz und Härter bestimmt. Es gibt Harzsysteme, welche bei Raumtemperatur zwischen 12 und bis zu 72h aushärten. Andere werden durch Wärme (Tempern) innert weniger Stunden ausgehärtet. Prepregs erfordern in der Regel Druck zum faltenfreien Aushärten. Es gibt jedoch auch OoA(Out- of-Autoklav)-Prepregs welche drucklos ausgehärtet werden können. Der Druck und die Temperatur richten sich nach den Herstellerangaben, bzw. dem Bauteilaufbau und der Geometrie. Ein weicher/fragiler Wabenkern hält hohen Drücken nicht stand. Das Nasslaminat wird bei 75 Grad während 4h ausgehärtet. Das Prepreg-Laminat wird anschliessend im Autoklav innert 1h auf 110 Grad erwärmt und anschliessend während 5h bei 2bar ausgehärtet.
  • 38. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 37 Nach dem Aushärten wird das Bauteil entformt. Die Folien lassen sich abreissen und das Bauteil kann dank dem zu Beginn angewendeten Trennmittel mit Klopfen von der Scheibe gelöst werden. Die Gewebestärke kann an den überstehenden Rändern gemessen werden. Nasslaminat Prepreg 4x 245 g/m2 + 6x 600 g/m2 = 4580 g/m2 Totale Gewebestärke: 5,82 mm 4x 204 g/m2 + 6x 630 g/m2 = 4596 g/m2 + Klebstoff 2x 300 g/m2 = 5196 g/m2 Totale Gewebestärke: 4,04 mm Das Prepreg-Panel ist dünner als das Nasslaminat, obwohl der Gewebeanteil nur geringfügig höher und zwei Klebstoffschichten einlaminiert wurden. Dies ist auf den Autoklav-Druck von 2 bar beim Aushärten zurückzuführen. Nach dem Zuschneiden auf das Nennmass 500 x 275 ist der Aramidkern sichtbar.
  • 39. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 38 Gewicht: 965,0 g Stärke: 14,17 mm Länge: 487 mm Breite: 272 mm Gewicht: 1149,0 g Stärke: 14,00 mm Länge: 487 mm Breite: 272 mm Fazit Durch die Herstellung zweier identischer Panels in den unterschiedlichen Fertigungsverfahren, konn- ten die Eigenheiten, Vor- und Nachteile miteinander verglichen werden. Der Festigkeitsvergleich folgt im Abschnitt „Prüfung der CFK-Panels“. Die untenstehende Tabelle vergleicht die einzelnen Fertigungs- stufen: Vorbereitung Nasslaminat 15 min  Glasplatte/Form vorbereiten  Trennmittel anwenden  Harzsystem anmischen (5 min) 10 min (+ ca. 4h)  Glasplatte/Form vorbereiten  Trennmittel anwenden  Prepreg auftauen (ca. 4 h) Prepreg Zuschnitt 15 min  Klebspray hilfreich  Leicht zu schneiden  Schwierig auszusrichten 15 min  Etwas mehr Druck beim Schneiden nötig  Einfach auszurichten dank Trägerfolie
  • 40. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 39 Laminieren/Ablegen 45 min  gut alleine ablegbar  Richtige Harz-Dosierung notwendig  Luft muss mit Entlüftungsroller rausgedrückt werden  Gewebe braucht etwas Zeit, um Harz aufzusaugen  Topfzeit des Harzsystems bestimmt die Verarbeitungszeit (muss deshalb speditiv vorangehen) 15 min  Einfach aber wegen Tack zu zweit besser ablegbar Aushärten Nasslaminat 4h  Bei Raumtemperatur möglich (24h)  Um keinen Stress zu haben, wurde hier ein langsamer Härter gewählt, weshalb die Aushärtung im Ofen nötig war 6h  Autoklav notwendig Prepreg Materialkosten CFK: (Preis/m2 ganze Rolle (suter 2015) (Global Tool Trading AG 2015)) CFK 245g/m2 CFK 600g/m2 CHF 26.10 CHF 23.75 CFK-Prepreg 245g/m2 CFK-Prepreg 600g/m2 CHF 56.05 CHF 75.05 Hält man die beiden fertigen Panels in der Hand wird klar, dass mit beiden Verfahren sehr gute Resultate erzielt werden können. Eine hohe Oberflächengüte konnte beim Prepreg durch den Autoklaven und das Vakuum erwartet werden. Beim Nasslaminat wurde durch das Vakuum eine ebenbürtige Oberflächengüte erreicht. Im Gewicht übersteigt das Prepreg das Nasslaminat um 19 %, obwohl das Prepreg ein nur 0,5 % höheres Gewebe-Flächengewicht aufweist. Beim Prepreg kommen noch 2 Klebefilme à je 300 g/m2 hinzu, womit die Flächengewichtsdifferenz auf 13 % ansteigt.
  • 41. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 40 4.2 Panel-Fertigung in Bezug zum FSAE-Chassis Die Fertigung der zwei flachen Panels war sehr aufschlussreich und es konnte ein nützlicher Vergleich durchgeführt werden. Der Abschnitt 4.1 soll auch dazu dienen, einen Eindruck der Verfahren zu erhal- ten, falls man keine Möglichkeit hat, selbst einen Praxisversuch durchzuführen. Nun geht es darum, die gewonnenen Erkenntnisse der flachen Bauteile auf das komplexe FSAE-Chassis zu übertragen. Grösse Die Grösse ist mit einer ungefähren Bauteiloberfläche von 3m2 im Vergleich zum 0,1375m2 -Panel rund 20-mal grösser. Dies ist für die Laminierzeit von grosser Bedeutung. Beim Nasslaminat kann ein Harzsy- stem mit entsprechend längerer Aushärtezeit gewählt werden, oder es muss in mehreren Schritten laminiert werden. Auch beim Prepreg darf die zwar deutlich längere Outlife-Time nicht überschritten werden. Geometrie Bei einem FSAE-Chassis ist die Geometrie natürlich wesentlich komplexer, als bei einem flachen Panel. Je nach Webart und Gewebestärke ist es nicht möglich, beliebig kleine Radien faltenfrei zu laminieren. Ein um so grösseres Gewicht erhält diese Eigenschaft, wenn Sandwichstrukturen realisiert werden wol- len. Grundsätzlich sollte dies bereits bei der Erstellung der Chassis-Geometrie berücksichtigt werden. Bei kleinen Radien empfiehlt es sich, vorgängig ein Geometrie-Muster anzufertigen, um sicherzustel- len, dass die Fertigung machbar ist. Materialwahl Da es im Gegensatz zu Stahl bei FVW sehr schwierig ist, eine Vorhersage über die Fest- und Steifigkeit zu machen, wäre es ratsam, sich eine Datenbank mit verschiedenen Faser- und Kernkombinationen zu erstellen. Die Werkstoffe der Panels wurden auf Basis von externen Erfahrungen gewählt. Im nächsten Abschnitt werden die Panels geprüft, um eine numerische Bewertung der mechanischen Eigenschaften Panels zu erhalten.
  • 42. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 41 4.3 Prüfung der CFK-Panels Mit der Prüfung der CFK-Panels konnten gleich mehrere Ziele auf einen Schlag erreicht werden: Erstens der Vergleich der Panels untereinander, um herauszufinden, ob es einen Qualitätsunterschied zwi- schen dem günstigeren Nasslaminat und dem teureren Prepreg gibt. Zweitens um einen ersten An- haltspunkt für die Dimensionierung des FVW-Aufbaus im FSAE-Chassis zu finden. Zusätzlich konnten mit dieser Prüfung die in den Alternative Frame Rules vorgeschriebenen Prüfbedingungen für Mono- coque-Chassis erstmals umgesetzt und getestet werden. 4.3.1 Prüfbedingungen Beim Bau eines Monocoque-Chassis muss bewiesen werden, dass die Struktur die gleichen sicherheits- relevanten Eigenschaften aufweist, wie ein Gitterrohrrahmen aus Standardmaterial (Baseline Steel) (SAE 2015). Die Äquivalenz des CFK-Panels soll für die Knickung, die Biegefestigkeit, die Bruchfestigkeit und die absorbierte Energie bewiesen werden. Getestet wird mittels 3-Punkt-Biegeversuch, ausgewer- tet wurde die Biegefestigkeit.  Panel-Dimensionen 275 mm x 500 mm (Vorgeschrieben ist eine Panelbreite von 500 mm, jedoch nicht der Abstand der Auf- lager.)  Der Biegestempel muss einen Radius von 50 mm aufweisen.  Gemessen werden Kraft und Auslenkung. Damit kann auch die Knickung und die ab- sorbierte Energie errechnet werden.  Parallel dazu müssen 2 Stahlrohre geprüft werden, für welche die Äquivalenz bewie- sen werden soll. Je nach Position im Fahr- zeug-Chassis, schreibt das Reglement die Anzahl und die Dimension der Rohre vor, für welche die Äquivalenz bewiesen werden muss. Abbildung 35: Prüfvorrichtung nach SAE-Reglement (SAE 2015) Abbildung 36: Die Auflager und der Biegestempel wurden wegen den aussergewöhnlichen Abmessungen aus einem Aluminiumrundprofil herge- stellt. Es wurde eine Fläche gefräst und Gewinde für die Fixierung in der Prüfmaschine geschnitten. Abbildung 37: Die Zwick/Roell-Prüfma- schine der BFH hat einen vertikal ver- schiebbaren Tisch unten und einen fe- sten Kraftmesser oben. Die Auflager haben einen Abstand von 400 mm.
  • 43. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 42 4.3.2 Prüfwerkstücke und Erwartungen Getestet wurden die beiden CFK-Panels und zwei 25mm-Baustahlrohre mit 2,0 und 2,5 mm Wand- stärke. Vorgängig wurde ein stark vereinfachtes Modell erstellt, um eine grobe Prognose für die Kraft- messung und die Auslenkung zu erhalten. Es ging auch darum abzuschätzen, ob das Prüfgerät in der Lage ist, die Werkstücke zu testen. Zuerst wurde das Widerstandsmoment des Prüfwerkstücks anhand der Abmessungen. Anschliessend wurden das maximale Biegemoment und daraus die maximale Kraft im 3-Punkt-Biegeversuch errechnet. Diese Werte wurden mit dem FE-Modell in Siemens NX verglichen. Widerstandsmoment Panel Rohr 𝑊 = 𝐵 ∙ (𝐻3 − ℎ3 ) 6 ∙ 𝐻 Diese Formel ist eine Annäherung abgeleitet vom Rechteckhohlprofil, wenn angenommen wird, dass das Widerstandsmoment einzig durch die 100% schubfest verbundenen Deck- schichten zustande kommt. (Schwarzenbach 2014) 𝑊 = 𝜋 32 ∙ 𝐷4 − 𝑑4 𝐷 WNasslaminat = 5‘647 mm3 WPrepreg = 5‘903 mm3 W25 x 2,0 = 770 mm3 W25 x 2,5 = 906 mm3 Flächenträgheitsmoment Panel Rohr 𝐼 = 𝐵 ∙ (𝐻3 − ℎ3 ) 12 𝐼 = 𝜋 64 ∙ (𝐷4 − 𝑑4 ) INasslaminat = 39‘531 mm4 IPrepreg = 45‘016 mm4 I25 x 2,0 = 9‘626 mm4 I25 x 2,5 = 11‘321 mm4 Werkstofffestigkeit/Biegespannung Panel Rohr 𝑅 𝑒 = 950 − 1100 𝑁/𝑚𝑚2 UD-Gewebe. Werte sind abhängig vom Kette-Schuss-Verhältnis. 𝑅 𝑒 = 560 − 650 𝑁/𝑚𝑚2 Bidirektionale Gewebe (Kette und Schuss sind gleich) Die höheren Werte werden von Köper- und Atlasgeweben bei optimaler Laminatsqualität er- reicht. (suter 2015) Rp,0,2 = 350 N/mm2 E235 + C (EN10305-1) (Brütsch-Rüegger 2015) Bei 0°/90°-Ausrichtung könnte man den „worst-case-Wert“ (560 N/mm2 ) annehmen. 2/5 der Lagen sind jedoch 45°/45° ausgerichtet.
  • 44. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 43 Es wurde folgendes Modell erstellt: Somit haben wir 2x 600/630 g Gewebelagen, welche nur einen Anteil von 1 √2 übertragen können. Dank dem Epoxyd-Harz können Zugkräfte auch quer zur Faserrichtung übertragen werden. Das Harz kann ausserdem als homogen beschrieben werden. 𝑅 𝑒 = 70 − 90 𝑁/𝑚𝑚2 Als Annäherung wurde der geringe-Zugfestigkeits-Anteil des Epoxyd- Harzes für die Ausrichtung vernachlässigt. Überträgt man diese Theorie auf das Nasslaminat-Panel erhält man: 𝑅 𝑒 = 245 ∙ 560 + 600 ∙ 396 + 600 ∙ 560 + 600 ∙ 396 + 245 ∙ 560 245 + 600 + 600 + 600 + 245 Beim Prepreg entsprechend: 𝑅 𝑒 = 204 ∙ 560 + 630 ∙ 396 + 630 ∙ 560 + 630 ∙ 396 + 204 ∙ 560 204 + 630 + 630 + 630 + 204 Nasslaminat Prepreg Stahl 𝑅 𝑒 = 474𝑁/𝑚𝑚2 𝑅 𝑒 = 470𝑁/𝑚𝑚2 𝑅 𝑝,0,2 = 350𝑁/𝑚𝑚2 Biegemoment 𝑀 𝐵 = 𝜎 𝐵 ∙ 𝑊 Panel Rohr MB,Nasslam. = 2‘654‘202 Nmm MB,Prepreg = 2‘938‘520 Nmm MB,25 x 2,0 = 269‘589 Nmm MB,25 x 2,5 = 316‘982 Nmm
  • 45. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 44 Stempelkraft 𝐹 = 𝑀 𝐵 ∙ 4 𝑙 Panel Rohr Fmax,Nasslam. = 26,54 kN Fmax,Prepreg = 29,39 kN Fmax, 25 x 2,0 = 2,70 kN Fmax, 25 x 2,5 = 3,17 kN E-Modul Panel Rohr 88‘000 kN/mm2 Für dieses Modell des Panels wurden die Angaben des E-Moduls des Gewebes genommen. Dies entspricht nicht dem E-Modul der einzelnen Kohlenstofffaser. Der Kern wurde nicht berücksichtigt. Das Flächenträgheits- moment bezieht sich ebenfalls nur auf die CFK- Deckschichten. Quelle: (suter 2015) 210‘000 kN/mm2 Durchbiegung 𝑥 𝑚𝑎𝑥 = −𝐹∙𝑙3 48∙𝐸∙𝐼 bei F = 2kN Panel Rohr xmax,Nasslam. = -0,77 mm xmax,Prepreg = -0,67 mm xmax, 25 x 2,0 = -1,32 mm xmax, 25 x 2,5 = -1,12 mm Diskussion Während die Berechnung eines Stahlrohrs bereits gut dokumentiert ist und durch den homogenen Werkstoff einfach nachzuvollziehen ist, bleibt die Genauigkeit beim CFK-Panel fragwürdig. Es wurden viele Vereinfachungen und Annahmen gemacht, indem der Kern als 100%-schubfest angenommen wurde und ein genereller Wert für die Festigkeit der Kohlenfasern beim gewählten Webstil gewählt wurde. Selbstverständlich gibt es sehr viel genauere Methoden, um die mechanischen Eigenschaften des Panels zu bestimmen. Da jedoch eine grobe Prognose und nicht ein exaktes Rechenmodell gesucht wurde, rechtfertigt dies die Vereinfachungen. Die Prognose zeigt, dass die CFK-Panels steifer und um ein vielfaches fester als die zu vergleichenden Baustahlrohre sein sollten. Allerdings nur, falls die Schubkräfte zu 100% übertragen werden können.
  • 46. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 45 4.3.3 FE-Modell Prüfstücke Um einen zweiten Anhaltspunkt für die zu erwartenden Kräfte zu erhalten, wurde ein einfaches FE- Modell der Prüfstücke erstellt. Es wurde ein 3-Punkt-Biegeversuch gerechnet und die Kraft für die ma- ximale Biegespannung herausgelesen. Für das Rohr wurde mit einem 2D-Gitter gearbeitet. Für das Panel wurde ein 2D-Gitter für die Deckschichten und ein 3D-Gitter für den Kern verwendet. (Schuler 2015) Panel Rohr Nasslaminat 25 x 2,0 Abbildung 38: von-Mises Spannung in der Deckschicht beim FE-Modells des Nasslaminat Abbildung 39: von-Mises Spannung des FE-Modells des 25 x 2,0-Stahlrohr Stempelkraft Fmax = 26,41 kN Stempelkraft Fmax = 2,72 kN Max. Auslenkung x = 2.00 mm Prepreg 25 x 2,5 Abbildung 40: von-Mises Spannung in der Deckschicht beim FE-Modells des Prepreg Abbildung 41: Auslenkung des FE-Modells des 25 x 2,5- Stahlrohr Stempelkraft Fmax = 26,97 kN Stempelkraft Fmax = 3,17 kN Max. Auslenkung x = 1,975 mm
  • 47. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 46 4.3.4 Prüfresultate der Werkstücke Übersicht Panel Rohr Nasslaminat 25 x 2,0 Abbildung 42: Nasslaminat-CFK-Panel im 3-Punkt-Biege- versuch Abbildung 43: E235 Rohr 25 x 2,0 Stempelkraft Fmax = 4,729 kN Stempelkraft Fmax = 7,587 kN Prepreg 25 x 2,5 Abbildung 44: Der Kern des Prepreg-CFK-Panels wurde im Zentrum zerrissen Abbildung 45: E235 + C 25 x 2,5 Stempelkraft Fmax = 5,339 kN Stempelkraft Fmax = 9,639 kN Diskussion Die Prüfung der CFK-Panels zeigte, dass die Realität weit weg vom berechneten Modell liegt. Die ge- messenen Werte der CFK-Panels liegen um den Faktor 5 unter der errechneten Kraft. Die Annahme eines 100% schubfesten Kerns war völlig falsch. Es zeigte sich, dass der Kern nach einer Auslenkung von 7mm zu versagen begann. Beim Nasslaminat löste sich der Kern an der Kontaktfläche zum CFK- Gewebe. Beim Prepreg zerriss der Kern im Zentrum. Beide Panels zeigten in einem Auslenkungsbereich zwischen 7 und 60 mm ein plastisches Verformungsverhalten. Danach wurde der Test abgebrochen. Die Deckschichten konnten nicht bis zum Versagen getestet werden. Nach den 60mm Auslenkung ver- formten sich die Panels nicht 100% symmetrisch und die Prüfmaschine erfuhr eine zu hohe Scherkraft- belastung und drohte, beschädigt zu werden.
  • 48. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 47 Biegekraft-Auslenkungs-Diagramm Vollständiges Prüfprotokoll im Anhang. Im Diagramm ist ersichtlich, dass sich das Nasslaminat bis ca. 2kN und das Prepreg bis ca. 4kN li- near/elastisch verhalten haben. Mittels Trendlinie wurde der Übergang zum plastischen Bereich her- ausgelesen. Panel Rohr Nasslaminat 25 x 2,0 Stempelkraft Fmax = 4,73 kN Stempelkraft Fmax = 7,59 kN xmax bei 2 kN = -3,24 mm max. Stempelkraft elastisch Fmax, elas = 2,57 kN xmax,elas = 4,21 mm xmax bei 2 kN = -1,47 mm max. Stempelkraft elastisch Fmax, elas = 3,20 kN xmax,elas = 2,41 mm Prepreg 25 x 2,5 Stempelkraft Fmax = 5,34 kN Stempelkraft Fmax = 9,639 kN xmax bei 2 kN = -3,05 mm xmax bei 2 kN = -1,26 mm max. Stempelkraft elastisch Fmax, elas = 4,07 kN xmax,elas = 6,39 mm max. Stempelkraft elastisch Fmax, elas = 5,73 kN xmax,elas = 3,82 mm 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Stempelkraft[N] Auslenkung [mm] Nasslaminat-Panel Prepreg-Panel 25 x 2,0 25 x 2,5
  • 49. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 48 Maximale elastische Biegespannung Das zuvor erstellte Modell wurde im linear/elastischen Bereich mit den Messungen verglichen: 𝑀 𝐵 = 𝐹 ∙ 𝑙 4 𝜎 𝐵 = 𝑀 𝐵 𝑊 Panel Rohr Messung 𝜎 𝐵,𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 45,51𝑁/𝑚𝑚2 𝜎 𝐵,𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 65,10𝑁/𝑚𝑚2 𝜎 𝐵,25𝑥2,0 = 415,45 𝑁/𝑚𝑚2 𝜎 𝐵,25𝑥2,5 = 632,69𝑁/𝑚𝑚2 Rechnung 𝜎 𝐵,𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 474 𝑁/𝑚𝑚2 𝜎 𝐵,𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 470 𝑁/𝑚𝑚2 𝜎 𝐵,25𝑥2,0 = 350 𝑁/𝑚𝑚2 𝜎 𝐵,25𝑥2,5 = 350 𝑁/𝑚𝑚2 4.3.5 Diskussion der Prüfung der CFK-Panels Nasslaminat Die gemessene und zurückgerechnete Spannung in den Deckschichten ist rund 10 x tiefer als die er- rechnete. Dies lässt sich gut mit den Beobachtungen vereinbaren. Der Kern konnte den Schubkräften nicht standhalten und die Sandwichstruktur funktionierte nicht mehr. Die Kontaktfläche zwischen Kern und Deckschichten ist ausgerissen, dies konnte auch auf den Aufnahmen beobachtet werden. Prepreg Die gemessene und zurückgerechnete Spannung in den Deckschichten ist rund 7 x tiefer als die errech- nete. Auch hier konnte der Kern die Schubkräfte nicht aufnehmen. Der Unterschied zum Nasslaminat ist, dass die Kontaktfläche beim Prepreg standgehalten hat. Es ist davon auszugehen, dass die zusätz- liche Klebschicht und der Autoklavdruck zu einer besseren Verbindung zwischen Kern und Deckschicht geführt haben. Der Kern des Prepreg-Panels ist im Zentrum zerrissen. Bei beiden Panels konnten die Kohlefasern nicht ihr volles Potential ausnutzen. Der Kern hat versagt, bevor die maximale Zugspannung in den Kohlefasern erreicht wurde. Folge dessen muss entweder ein schubfesteres Material für den Kern gefunden werden oder das Panel durch zusätzliche Massnahmen verstärkt werden. Falls die Gesamtbiegefestigkeit des Panels ausreichend sein sollte, können die Deck- schichten wesentlich kleiner dimensioniert werden. Äquivalenz zum Stahlrohr Das Reglement fordert die Äquivalenz des Panels gegenüber dem Stahlrohr. Der Test hat gezeigt, dass Baustahlrohre in der Regel wesentlich fester sind, als ihre angegebenen Mindestwerte. Aus diesem Grund wäre es für den Äquivalenztest von Vorteil, wenn man Rohre mit den Minimalanforderungen verwenden kann.
  • 50. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 49 Analyse der Deckschichten Die Deckschichten sind für diese Kernkonfiguration beim Nasslaminat um den Faktor 10, beim Prepreg um den Faktor 7 überdimensioniert. Nasslaminat Prepreg Ist 𝜎 𝐵−𝐼𝑠𝑡,𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 45,51𝑁/𝑚𝑚2 𝜎 𝐵−𝐼𝑠𝑡,𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 65,10𝑁/𝑚𝑚2 Soll 𝜎 𝐵−𝑆𝑜𝑙𝑙,𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 474 𝑁/𝑚𝑚2 𝜎 𝐵−𝑆𝑜𝑙𝑙,𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 470 𝑁/𝑚𝑚2 Wgerechnet 𝑊 𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 5′ 647𝑚𝑚3 𝑊 𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 5′ 903𝑚𝑚3 WSoll 𝑊 = 𝑀 𝐵 𝜎 𝐵−𝑆𝑜𝑙𝑙 WSoll 𝑊 𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 542𝑚𝑚3 𝑊 𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 866𝑚𝑚3 HSoll 𝑊 = 𝐵 ∙ (𝐻3 − ℎ3 ) 6 ∙ 𝐻  𝐻 = √ 6 ∙ 𝑊 ∙ ℎ + 𝐵 ∙ 𝑐3 𝐵 3 HSoll 𝐻 𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 10,38𝑚𝑚 𝑊 𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 10,6𝑚𝑚 Bei den Panels hätte die Gewebestärke der Deckschichten deshalb wie folgt ausgereicht: 𝑡 𝑁𝑎𝑠𝑠𝑙𝑎𝑚. = 0,19𝑚𝑚 𝑡 𝑃𝑟𝑒𝑝𝑟𝑒𝑔 = 0,3𝑚𝑚 Dies gilt jedoch nur bei gleichmässiger Verringerung aller Gewebelagen. Bei einer rund 2 mm star- ken Deckschicht pro 5 Gewebelagen, hätte deshalb eine einzelne Gewebelage ausgereicht. Zusätzlich zum Biegeversuch, muss ein Scherversuch durchgeführt werden. Die maximale Scherfestig- keit ist massgeblich von der Gewebestärke der Deckschichten abhängig. Nach dem Scherversuch kön- nen die Mindestanforderungen an die Deckschichtstärke festgelegt werden. Analyse des Kerns Der Kern konnte die Schubkräfte nicht aufnehmen. Solange der Kern vor den Deckschichten versagt und die Biegefestigkeit nicht ausreichend ist, wäre eine Erhöhung des Faserabstands (Erhöhung der Kernstärke) oder der Gewebestärke zwecklos. Ein schubfesterer und stärkerer Kern ist deshalb not- wendig. 4.4 Optimierung Mit dem Herstellen und Prüfen der Panels konnte der Biegeversuch erstmals erfolgreich durchgeführt werden. Folgende Schlüsse sind in Bezug auf das FSAE-Chassis aus dem Versuch zu ziehen:  Nenndimension wurde mit 491 x 272 mm nach dem Zuschnitt knapp unterschritten. Der Kern wurde mit 20 mm Übermass vor dem anschliessenden Anfasen zu knapp dimensioniert. Zu- sätzliche 10 mm sind zu empfehlen.  Die gewählte Konfiguration ist für eine Side-Impact-Structure eines FSAE-Fahrzeugs zu schwach. Mittels mehreren Iterationsschritten soll ein ausreichend starker Aufbau gesucht werden. Sobald die Anforderungen erfüllt sind, wird ein FE-Modell erstellt, welches mit den
  • 51. Fertigungssverfahren FSAE CFK Monocoque Chassis 50 Messungen korreliert. Somit kann das Modell auf das Chassis übertragen werden und die mechanischen Eigenschaften des Chassis berechnet werden.  Davon ausgegangen, dass die Äquivalenz zu 2 Baustahlrohren von 25 x 1,75 und nicht zum gemessenen 25 x 2,0 / 2,5 gezeigt werden muss, kann von einer Elastizitätsgrenze von ca. 6,1 kN ausgegangen werden. Das Panel muss also bei gleicher oder geringerer Auslenkung des Stahlrohrs, eine Biegefestigkeit von 6,1 kN standhalten und somit einen höheren E-Modul aufweisen. 25 x 2,0 25 x 1,75 Elastizitätsgrenze errechnet Fmax, elas = 2,69 kN Fmax, elas = 2,56 kN Elastizitätsgrenze gemessen Fmax, elas = 3,20 kN Fmax, elas = 3,05 kN1 x2 = Fmax, Panel-Soll = 6,1 kN 1 Hochrechnung bei gleichem Fehler bzw. identischem, festeren Stahl Gemessen wurden zwei Panels mit je 2mm starken, 5-lagigen CFK-Deckschichten und einem 10mm starken Aramid-Kern. Die Panels haben sich als zu schwach herausgestellt, um zwei Baustahlrohre zu substituieren. Aus diesem Grund sollen verschiedene Panels mit schubfesterem Kern, dünneren Deck- schichten getestet werden. Falls die Steif- und Festigkeits-, sowie Knickung und Energieabsorptionsrate nicht erreicht werden kann, muss eine Variante mit Rippen getestet werden. Zusätzlich muss ein Schubversuch durchgeführt werde, womit die Stärke der Deckschicht bestimmt wird. Es soll eine Da- tenbank erstellt werden, in welcher man die mechanischen Eigenschaften den verwendeten Materia- lien zuordnen kann. Nur so kann ein geeigneter Lagenaufbau für das Chassis bestimmt werden. Als nächste Iteration wird deshalb folgende Konfiguration vorgeschlagen:  Prepreg  10mm-Aluminium Kern  je 2 Klebstoffschichten  je 2 204g-Köper-Gewebe Bei dieser Konfiguration sollten zuerst die Deck- schichten versagen. Die Deckschichten sind zwar nur ca. 0,19 mm stark, dafür ist das 0°/90°-Ge- webe in Faserrichtung gelegt. Somit kann davon ausgegangen werden, dass die Deckschichten vor dem Kern versagen. Falls diese Prognose zutrifft, können fester Deckschichten genutzt werden, bis die geforderte Festigkeit und Steifigkeit erreicht wird. Falls der Kern erneut versagt, muss eine alternative schubfestere Konstruktion realisiert werden bzw. der Sandwichaufbau durch zusätzliche Massnahmen wie Rippen verstärkt werden. Abbildung 46: Vorschlag für nächste zu prüfende Panel-Konfi- guration