Corvette C7 GT3-R wird als Street Shark noch schneller Multisandwich-Komponenten für Street Shark 4.0

 

Die Bereitschaft zum Wandel und ein gesunder Wille zur Innovation sind der Schlüssel für eine erfolgreiche und dynamische Unternehmensentwicklung – so auch bei Frimo. Dazu gehören auch Kooperationsprojekte, wie zum Beispiel die interessante und durchaus erfolgreiche Projektserie „Street Shark“, bei dem das Unternehmen unter anderem mit Eschmann Textures, Huntsman, Rühl Puromer, dstyle und Consulting 4 Carbon kooperiert. Im Rahmen des Projektes gelang es Frimo mit Hilfe seiner Kooperationspartner, eine bionische Fahrzeugoberfläche herzustellen, die den Strömungswiderstand verringert. Wie der Name „Street Shark“ verrät, diente die Haut eines Mako-Hais als Vorbild, um die Aerodynamik eines Fahrzeuges zu verbessern – ein Bereich, in dem insbesondere Autobauer stetig nach Verbesserungen suchen. „Der Hai ist ein schneller und geschickter Schwimmer. Die zahnförmigen Plättchen auf seiner Haut verringern signifikant den Strömungswiderstand“, erklärt Karl-Heinz Stelzl, Leiter Technologieentwicklung der Frimo Gruppe.

 

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Während die ersten Haifischhaut-Strukturen mittels spezieller Folien auf Trägerteile aufgebracht wurden, ist es nun möglich, mit neuartigen Polyurethan-Composites und dem Einsatz darauf abgestimmter Werkzeug- und Anlagentechnologien bionische Oberflächen direkt auf Fahrzeugoberflächen zu realisieren.

Hier kommt eine gewichtsoptimierte Sandwichbauweise zum Einsatz. Im Mittelpunkt dabei steht ein PUR-Schaumkern mit ­einem Raumgewicht von 80-150 kg/m³. Dieser wird mit einem Carbonfaserstrumpf überstülpt, in die Form eingelegt und mit Vitrox (einem niedrigviskosen PIR System der Firma Huntsman Polyurethanes) umgossen. Die niedrige Viskosität erlaubt einen raschen Eintrag in das Werkzeug, Beginn und Dauer des Aushärtevorgangs sind zeitlich relativ präzise einstellbar (Snap Cure). Der Prozess verläuft, je nach Bauteilgröße mit einem Innendruck von 5-7 Bar und einer relativ geringen Exothermie (max. Reaktionstemperatur unter 100 °C). Dennoch ist das Material mit einer Glasübergangstemperatur (TG) von über 200 °C durchaus für die Oberflächenbeschichtung in KTL-Anlagen geeignet. Das Konzept ist für bestimmte Anwendungen im Großserieneinsatz wesentlich wirtschaftlicher und gleichzeitig robuster als klassische Matrixmaterialien. Durch die niedrigen Werkzeugtemperaturen unter 100 °C und die geringen Werkzeug-Innendrücke ist das System bei vergleichsweise geringem Invest geradezu prädestiniert, auch für die Decklagen bei Sandwich-Bauteilen eingesetzt zu werden, denn dadurch wird der Schaumkern nicht geschädigt. Da nur niedrige Schließkräfte des Werkzeuges nötig sind, kann mit keramischen Werkzeugen gearbeitet werden. Dank dieser Vorteile kann das Raumgewicht des Schaumkerns gesenkt und somit Gewicht beim Bauteil eingespart werden. Für die Übertragung der bionischen Oberfläche auf das Sandwichbauteil wurde vom Kooperationspartner Eschmann Textures zunächst eine Negativ-Abformung einer echten Haihaut erstellt, die dann auf die Werkzeugoberfläche übertragen wird.

Street Shark 1.0 bis 4.0

Doch der Reihe nach: Beim ersten Street Shark, einem BMW Z4 wurde erstmalig ein Sandwichverfahren samt Haihaut-Oberfläche angewandt. Dabei wurde sowohl die Motorhaube als auch das Dachmodul mit der neuen Oberflächenstruktur versehen. Der sogenannte „Street Shark 1.0“ zog bereits ein beeindruckendes Marktinteresse auf sich. Im Windkanal beobachtete man eine Verbesserung des cw-Wertes bei höheren Geschwindigkeiten (ab 160 km/h).
Nach weiteren Windkanaltests entstand die erweiterte Version, der „Street Shark 2.0“. Bei einem Alzen–Porsche 911 Mission 400 wurde die Haube und Frontschürze mit Haihautoberflächen ausgestattet. Dabei zeigte eine gegenüber dem Vorgängermodell veränderte Haihautstruktur bereits verbesserte Eigenschaften.

Weitere Verbesserungen konnten durch zusätzliche Optimierungen nach weiteren Windkanaltests erzielt werden. Dabei wurde die Oberflächenstruktur noch einmal zusätzlich vergrößert. Im Folgeprojekt „Street Shark 3.0“ wurden gleich zwei Fahrzeuge mit der neuen, vergrößerten Haihautoberflächenstruktur versehen. Bei einem BMW Z4 Cabrio von dstyle wurde das Hardtop mit der neuesten Version der Haihaut ausgestattet. Dagegen lag bei einem BMW Z4 QP der Fokus mehr auf dem Design. Hier wurden Teile des Interieurs und die Spiegelgehäuse mit der speziellen Haihaut versehen.
Durch den Einsatz im Unterbodenbereich bei einem anderen Fahrzeugmodell erkannte man, dass sich der cw-Wert schon bei Geschwindigkeiten ab 120 km/h um 1 % verbesserte.

Nun steht der Street Shark 4.0 in den Startlöchern. Als neues Demonstrator-Bauteil sollte eine eher komplexe dreidimensionale Komponente ausgewählt werden. Die Entscheidung fiel auf einen Rennwagen-Heckflügel. Ein solches Bauteil führt durch seinen besonderen Querschnitt und die daraus resultierenden unterschiedlichen Luftgeschwindigkeiten an Ober- und Unterseite zu einem erhöhten Anpressdruck (Downforce) des Fahrzeugs auf die Straße und ermöglicht somit eine höhere Kurvengeschwindigkeit. Kooperationspartner auf der Automobilseite ist dieses Mal die Callaway Competition, ein Unternehmen, das sich auf Karosseriefertigungen, Fahrzeugreparaturen und Rennumbauten spezialisiert hat. Im Rahmen der ADAC GT Masters setzt das Team Callaway eine 600 PS starke Corvette C7 GT3-R mit 6,2-Liter V8 Motor ein. An dieser Corvette wird der Heckflügel in einer neuartigen dreidimensionalen Sandwichbauweise (s. u.) hergestellt und in bestimmten Bereichen mit Haifischstruktur versehen. Die optimierte Corvette wird in diesem Jahr noch auf dem Eschmann-Stand (Halle 8B / A24) auf der K-Messe in Düsseldorf zu sehen sein. Auch Karl-Heinz Stelzl ist glücklich über die Zusammenarbeit mit Callaway: „Mit diesem Kooperationsprojekt präsentiert Frimo nicht nur die Entwicklung eines revolutionären Composite Systems, sondern untermauert gleichzeitig seinen Anspruch, als Technologiepartner zukunftsweisende und nachhaltige Lösungen zur Fertigung von Faserverbundbauteilen mit bionischen Oberflächen, zu entwickeln und weitere Untersuchungen durchzuführen.“

Funktionsintegriertes, dreidimensionales Multisandwich-Verfahren für die Großserie
Bislang wurde zur Herstellung des Heckflügels mit einem Polymerschaumkern gearbeitet, dessen Materialkosten bei 30-40 Euro liegen.

Der Preis für das im Frimo-Verfahren eingesetzte Material liegt unter 10 Euro. Außerdem können im Zuge der Weiterentwicklung nun auch sofort komplexere dreidimensionale Sandwichstrukturen aus Polyurethan erzeugt werden. Dazu wurde ein Versuchswerkzeug aufgelegt, in dem zunächst der dreidimensionale Kern aus hartem PUR-Schaum erstellt wird. Bereits bei der Herstellung des leichten Kerns können weitere Funktionen integriert werden, wie zum Beispiel die Berücksichtigung von Befestigungspunkten oder elektronischen Elementen.

Ist der dreidimensionale Kern erstellt, folgt der RTM-Prozess. In ein RTM-Werkzeug wird dann als erstes die untere Decklage des Vorformlings aus Verstärkungsfasern (Carbon, Glas, Natur) eingelegt. Anschließend werden der formgeschäumte Kern und zum Schluss die obere Faserdecklage eingelegt. Nach Einlegen der oberen Faserdecklage wird das RTM Werkzeug geschlossen und das niedrigviskose PIR-Matrixsystem eingebracht. Anders als bei den meisten marktüblichen Verfahren können auf diese Weise auch komplexere und großvolumige dreidimensionale Strukturbauteile direkt in der gewünschten Geometrie gefertigt werden. Zykluszeiten unter 3 Minuten sind hier realisierbar.

Das Equipment im Frimo Tech-Center ist darauf ausgelegt, Bauteile bis ca. 700 x 800 mm abzumustern. Größere Anlagen befinden sich bei Frimo derzeit in der Entwicklung und teilweise bereits im Bau, so beispielsweise eine Anlage für Bauteilgrößen bis zu 2 x 2 m. Dort können dann auch entsprechend größere dreidimensionale Bauteile beispielsweise für Versuche, Prototypen, Pilotprojekte (wie der Heckflügel des Street Shark 4.0), oder Vorserien hergestellt werden.

 

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Sandwich-Leichtbau mit Dekor- und bionischen Funktionsoberflächen
Die Haifischhaut-Struktur für den Street Shark wird im Rahmen dieses Verfahrens über ein Inmould Coating (IMC) erzeugt. Dazu wird die Oberfläche der unteren Werkzeughälfte mit der Haihautstruktur versehen und mit einem speziellen PUR-Sprühsystem der Produktfamilien purospray oder puroclear besprüht.

Sogar selbstheilende Oberflächen sind auf diese Art und Weise möglich und im Rahmen des Street Shark 3.0 anhand von Interieur Zierleisten und Spiegel-Gehäuse gemeinsam mit der Firma Rühl Puromer demonstriert worden. Die niedrige Verarbeitungsviskosität des puroclear-Systems, einem weiterentwickelten Polyurethan-Material mit farbgebenden und selbsttrennenden Eigenschaften, ermöglicht es, diesen Designansatz aus der Natur zu übernehmen. Das verwendete puroclear System verfügt darüber hinaus über selbstheilende Eigenschaften und kann in einem neu entwickelten, nachgelagerten Tauchverfahren individuell und dabei gleichzeitig effizient eingefärbt werden.

„Kooperationsprojekte wie der ‚Street Shark‘ sind für uns als Unternehmen wichtig. Einerseits haben wir die Möglichkeit durch Teamwork und Pioniergeist zukunftsweisende und nachhaltige Innovationen zu schaffen, andererseits sind solche Projekte eine Art Sprungbrett für neue Aufträge“, so Hans-Günter Bayer, Vorsitzender der Geschäftsführung der Frimo Gruppe.

Bereits seit der Erstpräsentation wurden zahlreiche neue Versuche und Weiterentwicklungen mit Interessenten aus den unterschiedlichsten Industriezweigen getätigt, zum Beispiel aus den Bereichen Windenergie, der Sport- und Freizeitindustrie.

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