Design und Herstellung von Kohlefaser-Sandwich-Monocoque-Chassis

Veröffentlicht: 22.06.2022 • 17:32 Lesezeit: 12

Abschlussarbeit mit 12 kg Kohlefaser-Sandwich-Monocoque-Chassis, entwickelt für die TEKNOFEST Efficiency Challenge, die CAD-Design mit SolidWorks, Finite-Elemente-Analyse von Verbundwerkstoffen mit ANSYS ACP und Vakuumverpackungsfertigung auf einem formlosen flachen Tisch umfasst.

Design und Herstellung von Kohlefaser-Sandwich-Monocoque-Chassis

🏎️ Abschlussarbeit · TEKNOFEST Efficiency Challenge

Kohlefaser-Sandwich-Monocoque-Chassis für Elektrofahrzeuge

Eine ganzheitliche Entwicklungsstudie, die sich vom Konzeptdesign bis zum physischen Produkt erstreckt: Badewannen-Monocoque-Design mit SolidWorks, Finite-Elemente-Analyse von Verbundwerkstoffen mit ANSYS ACP, Materialauswahl und Fertigung mit der Vakuumverpackungsmethode auf einem formlosen flachen Tisch.

12kg
Endgewicht
22mm
Sandwichdicke
6 Etagen
Kohlefaser
7kg
Epoxidharz
📋

Projektimpressum

Umfang Bachelorarbeit – Design, Analyse und Herstellung von Fahrgestellen für Elektro-Prototypenfahrzeuge
Meine Rolle CAD-Design, Materialauswahl, FEA-Installation, Harzberechnung und Feldarbeit während des Produktionsprozesses
Antriebsarchitektur Nabenmotor – Drehmoment wird direkt am Rad erzeugt, der Antriebsstrang verläuft nicht durch das Chassis
Software SolidWorks Premium 2021 SP4.1 · ANSYS Workbench 2021 R2 (ACP – Composite PrepPost)
Produktionsmethode Handauflegen + Vakuumverpacken – ohne Schimmel, auf einem flachen Holztisch; Formgebung durch Schneiden und Kantenprofilverklebung nach dem Aushärten
Datum 2022
🎯

Problem und Ansatz

Die bei Effizienzrennen bewertete Messgröße ist die zurückgelegte Strecke pro Energieeinheit. Die Fahrzeugmasse ist die direkteste Variable in dieser Gleichung: Jedes Kilogramm erhöht sowohl den Rollwiderstand als auch die für die Beschleunigung erforderliche Energie. Daher traditionell Raumrahmen anstelle eines Rohrchassis, das die Last auf die Oberfläche verteilt Sandwich-Monocoque Körper wird bevorzugt.

Kriterium Weltraumkäfig (Rohr) Sandwich-Monocoque
Last tragen Punkt über geteilte Balken über die Krustenoberfläche verteilen
Torsionssteifigkeit Begrenzt, abhängig von der Anzahl der Knoten Dank des geschlossenen Abschnitts hoch
Gewicht Hängt von der Stahl-/Aluminiumdichte ab Kern geringe Dichte, Masse in der Schale
Herstellung Schnell und kostengünstig beim Schweißen Erfordert flache Tisch-, Schneid- und Kantenprofilklebearbeiten
Reparierbarkeit Einfache, lokale Intervention möglich Schwierig, Gefahr der Delaminierung

Die Entscheidung wurde getroffen, um Kosten und eine einfache Reparatur unter den Bedingungen eines Studententeams zu opfern. Gewicht und Steifigkeit zu seinen Gunsten gegeben. Um den Kosten- und Zeitaufwand für die Herstellung einer Form zu vermeiden, wurde außerdem die Methode gewählt, diese auf einem flachen Tisch herzustellen und später zu formen (Einzelheiten finden Sie im Abschnitt „Herstellung“).

⚡

Lastpfad: Was trägt das Chassis und was nicht?

Die Antriebsarchitektur dieses Fahrzeugs bestimmte direkt die Designbeschränkungen des Fahrgestells. Drehmoment Nabenmotor Die Herstellung erfolgt direkt am Rad mit; Es gibt keine Welle, kein Differenzial oder keinen Antriebsstrang, der durch das Chassis verläuft. Daher ist das Chassis ein Drehmoment ist nicht der Reaktionsweg. Dies erklärt, warum insbesondere der Heckausbau dünn und leicht gestaltet werden kann.

✓ Vom Fahrgestell getragene Lasten

Masse von Pilot + Sitz
Zwei Sparco-Sitze sind über den Cockpitboden verteilt
Karosserie
Der äußere Rumpf wird auf die Seitenflügel und den hinteren Überhang gelegt
Lenk- und Pedalausrüstung
Wird nach vorne angeschlossen
Biegen und verdrehen
Straßeneinflüsse und Seitenführungskräfte

✗ Lasten, die nicht durch das Fahrgestell gehen

Motordrehmoment
Die Nabe wird im Motor hergestellt, bleibt im Rad
Antriebsstrang
Welle, Differential, Kette – nicht im System
Reaktion des Motorlagers
Keine Motorbefestigungspunkte an der Heckverlängerung
Auswirkungen auf das Design
Da keine Antriebslast vorhanden ist, wurde der hintere Überhang dünn genug gehalten, um nur die Karosserie zu tragen → direkte Gewichtszunahme.
📐

Design (CAD)

Geometrie in der SolidWorks-Umgebung, relativ zur Mittelebene Spiegel Es wurde symmetrisch aufgebaut. Dies vereinfachte sowohl den Modellbaum als auch die Verwendung von Symmetrie in der Analyse.

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Abbildung 1 – Einfache Badewannengeometrie. Die Plus-Form-Silhouette und die umlaufenden erhöhten Kanten sind sichtbar.

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Abbildung 2 – Überprüfung der Ergonomie mit Sparco-Sitzanordnung und Verkleidung mit Carbonstruktur.

Draufsicht-Architektur

Die Silhouette ist in Plusform (Kreuzform) dargestellt. Jede Zone enthält genügend Material, um eine einzelne Funktion zu erfüllen; Überflüssige Fläche ist direkt unnötiges Gewicht.

VORDERER ABSCHNITT
Schmaler Abschnitt – Lenkung/Pedal, Vorderradlenkung
SEITENFLÜGEL
Körperverbindungsfläche
COCKPIT
linker Sitz
rechter Sitz
Zwei Sitze nebeneinander, seitlicher Aufprallschutz
SEITENFLÜGEL
Körperverbindungsfläche
HINTERER VERLÄNGERUNG
Trägt nur die Karosserie – keine Antriebslast, dünn und leicht

▲ Fahrzeugfront nach oben · umlaufende gestrichelte Linie = erhöhter Randbereich

Warum angehobene Kanten?

Randerhebungen am CAD-Modell sind nicht kosmetisch. Der Beitrag des Materials zur Biegefestigkeit nimmt ab, wenn es sich von der neutralen Achse entfernt. gewürfelt nach Höhe steigt proportional. Durch die Verlagerung der gleichen Masse an die Kanten anstelle einer flachen Platte wird das Chassis zu einem Balken.

Flacher Plattenquerschnitt
 
 
Achsnahes Material → geringe Biegefestigkeit
Abschnitt mit erhöhten Kanten (mit Kastenprofil)
 
 
 
 
Material weg von der Achse (h) → Widerstand nimmt mit h³ zu
Trägheitsmoment:  I = b·h³ / 12
Eine Verdoppelung der Höhe erhöht die Biegefestigkeit um etwa das Achtfache.
Hinweis: Da keine Schalung verwendet wurde, wurde diese Höhe mit separat hergestellten und verklebten Kastenprofilleisten erreicht, die das ausgehärtete Flachpaneel umschließen (siehe Abschnitt Produktion).
🥪

Mechanik der Sandwichstruktur

Dies ist die Kernidee des Projekts: die Trennung zweier dünner Kohlefaserschalen durch einen PVC-Schaumkern niedriger Dichte. Die Schalen tragen die Zug- und Drucklasten, der Kern trägt die Scherlast und hält die Schalen auf konstantem Abstand.

↓ Biegebelastung ↓
obere Kruste
3 Lagen Kohlefaser
Kern
Airex C70.48 PVC-Schaum 20 mm
untere Kruste
3 Lagen Kohlefaser
22mm
Obere Kruste → BASMA Unterschale → ZIEHEN Kernel → Scherung und Schalen getrennt halten

📊 Warum 20 mm Kern?

Biegesteifigkeit einer Sandwichplatte, Schalendicke t und Abstand zwischen Schalenzentren d. für ca D ≈ E·t·d² / 2 ist proportional zu . In dieser Studie ist d ≈ 21 mm, t ≈ 1 mm.

Wenn wir die gleiche Menge Kohlefaser wie ein kernloses, einteiliges 2-mm-Laminat verwenden würden, wäre das Trägheitsmoment nur I = (2mm)³/12 es wäre. Durch einen Schalenabstand von 20 mm wird die Biegesteifigkeit erhöht auf der Ebene von zwei Bestellungen (Hunderte von Etagen) Beim Erhöhen wird nur etwa 1 kg Schaum pro Quadratmeter hinzugefügt. In diesem Verhältnis liegt die ganze Logik des Sandwichaufbaus.

🔬

Materialauswahl

Komponente Ausgewähltes Material/Methode
Verstärkung 224 glatt gewebtes Kohlefasergewebe – 6 Schichten
Kern Airex C70.48 und C70.75 PVC-Schaum – 20 mm
Matrix MGS L160 Epoxidharz + H160 Härter (100:25)
Arbeitsfläche 3,5 × 1,7 m flacher Holztisch (keine geformte Form) + Trennfolie; Nachdem das Stück ausgehärtet war, wurde es geschnitten und in die Silhouette eines Kreuzes geformt
Kantenprofil Separat gefertigte Kastenprofilleisten; nachträglich um das mit strukturellem Epoxidklebstoff ausgehärtete Paneel montiert

Webart-Entscheidung: Leinwand oder Köper?

 

✅ Einfach – Ausgewählt

Die am häufigsten verflochtene Webart, bei der Schuss- und Kettfäden symmetrisch verlaufen, 1 unten / 1 oben.

  • Hohe Gewindecrimpung → Dimensionsstabilität
  • Minimaler Faserschlupf auf großen ebenen Flächen
  • Faserwinkel werden unter Vakuum gehalten
 

❌ Twill – nicht bevorzugt

Webart mit charakteristischem Diagonalmuster, mit 2 Unter- und 2 Überpässen.

  • Es passt besser zu komplexen Rundungen (Drapierbarkeit)
  • Aber die Faser ist leicht zu verrutschen
  • Diese Geometrie bietet keinen Vorteil, es besteht ein Risiko

Ebenenausrichtung

Fasern, die in eine Richtung ausgerichtet sind, sind nur in dieser Richtung stark. Die Schichten sind in unterschiedlichen Winkeln gestapelt, um sicherzustellen, dass die Struktur in alle Richtungen Widerstand leistet.

 

0° / 90°

Es nimmt axiale Zug-Druck-Belastungen beim Bremsen und Beschleunigen auf.

+
 

+45° / −45°

Es nimmt in Kurven auftretende Torsionsbelastungen auf.

=
🛡️

Quasi-isotroper Stapel

Ähnliches Verhalten in Richtungen in der Ebene mit dem 6-schichtigen, ausgeglichenen Stapel.

📊

Finite-Elemente-Analyse (ANSYS ACP)

Da sich Verbundwerkstoffe gerichtet (anisotrop) verhalten, reicht eine klassische isotrope statische Analyse nicht aus. Aus diesem Grund ermöglicht die Analyse eine schichtweise Identifizierung. ANSYS ACP (Composite PrepPost) Es wurde mit dem Modul installiert.

Geometrie
In Oberflächenmodell konvertieren
→
Material
MATWEB-Daten
→
Schicht
6 Schichten + Kern
→
Installation
0,1 MPa einheitlich
→
Lösung
Verformung
↺ Überarbeitung: zurück zur Geometrie
Das Ergebnis der Analyse veränderte das Design – der Prozess verlief zyklisch und nicht unidirektional.

⚠️ Erste Iteration: Kritische Feststellung

an die Oberfläche Einheitlicher Referenzdruck von 0,1 MPa In der ersten Analyse angewendet, im mittleren Bereich des Chassis 154,69 mm Die Verformung wurde berechnet. Diese Belastung stellt kein reales Fahrszenario dar, sondern ist eine gemeinsame Referenz, die zum Vergleich von Konstruktionsvarianten im gleichen Zustand gewählt wurde. Das Ergebnis zeigte deutlich, dass die Ausgangsgeometrie im mittleren Bereich keine ausreichende Steifigkeit aufwies.

✅ Überarbeitung

Im Einklang mit den Analyseergebnissen kehrten wir zum SolidWorks-Modell zurück, fügten strukturelle Verstärkungen im mittleren Bereich hinzu und überprüften die Höhen der Randkanten. Die Produktion begann mit dieser überarbeiteten Geometrie.

🧮

Harzberechnung

Zu viel Harz im Verbundwerkstoff bedeutet Gewicht. Weniger Harz bedeutet trockene Fläche und Delaminierung. Der Verbrauch wird daher nicht dem Rätselraten überlassen: Bei Stoffen wird er nach der Oberfläche berechnet, bei Schaumstoffen nach der Oberfläche. Legetisch des Herstellers wurde mit berechnet.

📋 Handlaminierter Harzverbrauch für Airex-PVC-Schaumstoffe

Schaumtyp g/m² oz/sq.ft
R63,50 100 – 200 0.33 – 0.65
R63,80, R63,140 50 – 150 0.16 – 0.50
R82 200 – 300 0.65 – 1.00
C51 200 – 300 0.65 – 1.00
C70.40 – C70.90 ← C70.48 gebraucht 200 – 300 0.65 – 1.00
C70.130 – C70.200 100 – 200 0.33 – 0.65
C71 150 – 200 0.50 – 0.65
T90/92 < 130 kg/m³ 200 – 300 0.65 – 1.00
T90/92 > 130 kg/m³ 150 – 250 0.50 – 0.82
T10 200 – 300 0.65 – 1.00

Gesamtharzguss: 7 kg

Kohlefaserschichten – 5,5 kg
Schaum – 1,5 kg
Mischungsverhältnis MGS L160 : H160 = 100 : 25
Topfzeit ≈ 45 Minuten → für jede Schicht separat zubereitet
Messung Wiegen mit Präzisionswaagen
Kantenprofilverklebung Ein separates Rezept: struktureller Epoxidklebstoff (nicht in den oben genannten 7 kg enthalten)

Die 45-minütige Topfzeit des Harzes war die Vorgabe, die den Produktionsrhythmus bestimmte. Anstatt eine große Menge auf einmal herzustellen, wurde für jede Schicht eine separate Mischung hergestellt; Dies ermöglichte eine homogene Benetzung, bevor die Gelierung einsetzte.

🔧

Produktion: Vakuumverpackung auf flachem Tisch ohne Form

Die Methode nutzt Atmosphärendruck wie eine Presse. Wenn die Luft im Inneren des Beutels herausgesaugt wird, komprimiert der Außendruck von etwa 1 bar das Laminat; Überschüssiges Harz wird in die Decke aufgenommen, Lufteinschlüsse werden entfernt. Das Ergebnis: höherer Faservolumenanteil und geringeres Gewicht.

Anstatt eine geformte Form herstellen zu lassen, Sandwichplatte auf einem flachen Arbeitstisch geheilt; Kreuz-(Plus-)Silhouette und erhabenes Kantenprofil nach dem Aushärten Ausschneiden und Einfügen Es wurde mit erreicht. Dieser Ansatz hielt die Ressourcen des Studententeams im Einklang, indem Musterkosten und Zeit gespart wurden.

Absackstapel

↓ ↓ ↓ ≈ 1 bar Atmosphärendruck ↓ ↓ ↓
Vakuum-NylonSchließt das System zur Atmosphäre hin ab
Vakuumdecke (Entlüfter)Absorbiert überschüssiges Harz
Fluchttasche (perforiertes Nylon)Ermöglicht den Durchtritt von Harz
Peel-Stoff (Peel-Ply)Trennfläche reinigen
3 Lagen Kohlefaser
Airex C70.48 PVC-Schaum – 20 mm
3 Lagen Kohlefaser
SANDWICH-LAMINAT
Fluchtsack (unten)Verhindert ein direktes Anhaften am Tablett
TrennfolieFür eine einfache Trennung
flacher Holztisch (keine Form – flache Arbeitsfläche)3,5×1,7m Platte

Der Umfang wurde mit Dichtband abgedichtet. Um zu verhindern, dass der Beutel reißt, wurde eine Falte angebracht.

Aushärtezeit: 1,5 Tage unter Vakuum

Produktionsschritte

 
1

Vorbereitung der Arbeitsfläche

Der 3,5 × 1,7 m große flache Holztisch wurde gereinigt und die Trennfolie darauf verlegt. Es handelt sich nicht um eine geformte Form, sondern um eine völlig ebene Auflagefläche; Der Zweck bestand lediglich darin, sicherzustellen, dass sich die Platte nach dem Aushärten ohne Haftung trennt.

2

Untere Schale – 3 Schichten

Die erste Lage Kohlefaser wurde auf die Trennfolie auf dem Tisch gelegt. Im Verhältnis 100:25 hergestelltes Epoxidharz wurde auf eine empfindliche Waage gegossen und im Handauflegeverfahren gleichmäßig auf jede Fläche aufgetragen. Der gleiche Vorgang wurde für 3 Schichten wiederholt.

3

Kernlayout

Der PVC-Schaumkern, getränkt mit der aus der Airex-Tabelle berechneten Harzmenge, wurde flach auf die Unterschale gelegt. Die für den Schaum vorgesehene Harzmenge betrug 1,5 kg.

4

Obere Kruste – 3 Schichten

Die restlichen 3 Lagen wurden mit der gleichen Methode auf den Kohlefaserschaum gelegt und verharzt. So entsteht eine flache, rechteckige 22-mm-Sandwichplatte.

5

Hilfsschichten

Abziehstoff, Fluchtbeutel und Vakuumdecke wurden jeweils auf das Laminat gelegt. Jede Schicht hat eine eigene Aufgabe: saubere Trennung, Harzmigration und Aufnahme von überschüssigem Harz.

6

Einpacken und Vakuumieren

Um den Umfang herum wurde ein Dichtungsband angebracht, ein Vakuumbeutel platziert und an den Ecken eine Verjüngung angebracht, um ein Reißen zu verhindern. Anschließend wurde die Luft im Beutel mit Hilfe eines Kompressors entfernt.

7

Aushärtung und Trennung vom Tray

Die Struktur wurde 1,5 Tage lang unter Vakuum aushärten gelassen. Am Ende des Zeitraums wurde die Tasche demontiert und die flache, rechteckige Sandwichplatte vom Tisch getrennt. Zu diesem Zeitpunkt befand sich das Panel noch nicht in seiner endgültigen Chassisform.

8

Formen (Schneiden)

Die aus der CAD-Zeichnung entnommene Kreuzsilhouette (Plus) wurde auf der ausgehärteten Flachplatte markiert und das Teil entlang dieser Linie geschnitten und in die Draufsichtgeometrie gebracht.

9

Kantenprofilverklebung und Endgewicht

Separat hergestellte Kastenprofilstreifen wurden mit strukturellem Epoxidklebstoff um den Umfang des Paneels herum befestigt, so zugeschnitten, dass sie der erhöhten Kantenhöhe im CAD-Modell entsprachen, und aushärten gelassen. Nach Abschluss der Montage gewogenes Endgewicht: 12kg.

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Verharzung der Schichten durch manuelles Auflegen auf einen flachen Tisch.

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Tränken Sie den Schaumkern mit der berechneten Menge.

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Aushärtung unter Vakuum auf einem flachen Tisch (1,5 Tage).

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Fahrgestell mit zugeschnittenen und verleimten Randprofilen, montagefertig.

🏁

Fazit

Gewichtswerte des geformten und montierten Chassis

12
kg
Endgewicht
22
mm
Sandwich-Abschnitt
1,5
Tag
Aushärten

Projektablauf

1
Konzept
→
2
CAD-Design
→
3
FEA
→
4
Überarbeitung
→
5
Flachtischproduktion
→
6
Ausschneiden + Einfügen
→
✓
12kg

Bei dem Projekt handelte es sich um eine ganzheitliche Studie, bei der alle Schritte persönlich durchgeführt wurden, vom Konzept bis zum Design, von der Simulation bis zur Überarbeitung und physischen Fertigung auf einem flachen Tisch ohne Formen. Die Kohlefaser-Sandwich-Monocoque-Karosserie wurde renntauglich gemacht und in das Fahrzeug integriert.

💡

Was ich gelernt habe und die Grenzen der Arbeit

1. Die Analyse funktioniert, sobald sie das Design ändert. Der große Verformungswert in der ersten Iteration war kein Fehler, sondern das wertvollste Ergebnis des Projekts: Es zeigte uns, dass wir die Geometrie ändern mussten, bevor wir mit der Produktion beginnen konnten.

2. Die Kenntnis des Lastpfades spart Material. Durch den Antrieb im Nabenmotor war der hintere Überhang lediglich ein Karosserieträger und keine Motorhalterung. Dieses Bewusstsein ermöglichte es, unnötige Verstärkung in diesem Bereich zu vermeiden.

3. Bei Composite erfolgt die Berechnung innerhalb der Produktion. Das Gewicht ist unter Kontrolle, wenn die Harzmenge aus einem Tabellenwert abgelesen und auf einer Waage gewogen wird; Nicht, wenn die Entscheidung nach Augenmaß getroffen wird.

4. Die Herstellbarkeit ist eine Einschränkung des Designs. Die 45-minütige Topfzeit des Harzes bestimmte direkt den Schichtstapelplan. Ein Laminat, das auf dem Papier gut aussieht, ist nicht richtig, wenn es nicht bearbeitbar ist.

5. Die formlose Produktion unterteilt die Geometrie in zwei Teile: flaches Aushärten + Nachformen. Anstatt in eine geformte Form zu investieren, ist die Herstellung einer flachen Platte, deren Aushärtung und das anschließende Schneiden und Kleben des Kantenprofils, um die endgültige Form zu erreichen, mit dem Budget des Studententeams vereinbar; Allerdings entstanden dadurch zusätzliche Klebefugen in den Randbereichen.

⚠️ Grenzen der Arbeit

Die Analyse wurde unter einem einheitlichen Referenzdruck durchgeführt, der zum Vergleich von Designvarianten gewählt wurde; Es ist kein Festigkeitsnachweis, der die Grundlage für die Zertifizierung bildet. Das ANSYS ACP-Modell stellt Randbereiche als kontinuierliche (monolithische) Hülle dar; Da diese Bereiche im Realteil mit nachträglich verklebten Kastenprofilen erstellt wurden, wurden die Spannungskonzentration an den Klebeschnittstellen und die Klebelinienfestigkeit aus der Analyse ausgeschlossen.

An der hergestellten Platte wurden weder Torsionssteifigkeitsmessungen noch probenbasierte mechanische Tests (Dreipunktbiegung, Schertest, Klebeverbindungs-Zugtest) durchgeführt. Für eine echte Validierung besteht der nächste Schritt darin, Coupon-Proben aus Produktionsrückständen vorzubereiten und die gemessenen mechanischen Werte sowohl für das Laminat als auch für die Kantenverklebung mit den Analyseeingaben zu vergleichen.

Im Rahmen dieses Projekts verwendete Software, Materialien und Methoden:

SolidWorks ANSYS Workbench ANSYS ACP Finite-Elemente-Analyse Verbundmaterial Sandwichbau Vakuumverpackung Formlose (Flachtisch-)Produktion Bindung Leichtbau

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