Carbon Monocoque im Eigenbau

Sehr lange habe ich überlegt ob ich dieses Projekt hier zeigen soll, aber vielleicht interessiert es den ein oder anderen ja doch. Ob es am Ende funktioniert wird sich zeigen, aber ich bin optimistisch.

Im Sommer 2013 bekam ich ein Angebot bei dem ich nicht nein sagen konnte und kurz darauf wurde das Fahrzeugprojekt dann nördlich von Hamburg abgeholt. Erster Plan war das Fahrzeug mit einem 998er ausstatten und ansonsten mit wenig Aufwand auf die Straße zu bringen. Allerdings war der Innenraum nicht so ganz mein Geschmack und zum Linkslenker umbauen war aus meiner Sicht dann doch auch notwendig. Das (undichte) Glashubdach war mir auch ein Dorn im Auge.
Natürlich kam dabei das ein oder andere zum Vorschein, vor allem eben typische englische Kitcar Lösungen - sie mögen funktionieren, entsprechen aber weder meinen Vorstellungen noch dem was unser TÜV gerne sehen möchte.

Irgendwie war das Fahrzeug dann recht schnell gestrippt und es offenbarten sich unter anderem Schweller die nicht mehr die allerbesten waren. Zum damaligen Zeitpunkt gab es in England niemanden der die angeboten hätte, also wäre nur der Gang zum Blechbieger geblieben (eine Kantbank mit 1,4m habe ich leider nicht). Die hatten allerdings genug zu tun und daher unrealistisch hohe Preisvorstellungen - somit blieb es erst einmal dabei. Aber irgendwie entwickelte sich da bereits langsam ein Plan B.

Nach längerer Recherche fand ich einen Briten der für dieses Fahrzeug ein Chassis aus Glasfaser (Wirrfaser und Polyester) gebaut hatte und mit dem Ergebnis sehr zufrieden war. Angeblich war es deutlich stabiler und steifer als das Blech-Original. So richtig überrascht mich das jetzt aber auch nicht.

Also wieso nicht einmal etwas ganz neues ausprobieren und ein Monocoque aus Kohlefaser und Aramidwaben bauen? Ziel war weniger das Gewicht auf ein absolutes Minimum zu drücken, als viel mehr die Steifigkeit extrem zu erhöhen bei gleichzeitiger Gewichtsersparnis. Das gesteckte Ziel waren ein Chassisgewicht von ca. 35kg zu erreichen - ob ich das schaffe wird sich zeigen. Aus heutiger Sicht würde ich behaupten, dass es möglich sein müsste ein solches Chassis mit 12-14kg zu bauen, wenn man extremen Leichtbau als Hauptziel hat. Wobei das im Alltagsbetrieb deutlich empfindlicher wäre vergleichbar mit High End Rahmen bei Rennrädern.
Sicher hätte man das grundlegende Design des Chassis auch noch deutlich optimieren können um einer Faserverbundbauweise gewechter zu werden, aber ich wollte doch recht nah am Original bleiben. Auch hätte man als Kernmaterial auf Hartschäume statt Waben zurückgreifen können - hier lag die Entscheidung für die Wabe darin begründet, dass ich damit weniger Erfahrung habe und dabei etwas Erfahrung sammeln wollte. Hartschaum wäre an vielen Stellen einfacher zu verarbeiten gewesen, aber ich wollte ja die Herausforderung. Außerdem ging es mir dabei auch darum die Fertigungstechniken der ersten Kohlefasermonocoques in der Formel 1 nachvollziehen zu können. Aluminiumwaben habe ich wegen des noch höheren Preises, des Gewichtes und einiger zusätzlicher Nachteile bei der Verarbeitung von vornherein ausgeschlossen.

Angefragte fertige Sandwichplatten Kohlefaser / Aramidwabe / Kohlefaser waren mir zu teuer, also wurden sie selber gebaut. Auf einer großen Platte wurden Kohlefasergewebe mit Vakuuminfusion getränkt, nach dem aushärten wurde eine zweite Platte infusioniert und diese beiden Platten dann mit der Wabe in der Mitte zu einer großen Sandwichplatte verklebt. Da das eigentlich nicht sehr interessant (und zumindest für mich quasi Alltagsgeschäft) ist, habe ich davon auch so gut wie keine Bilder.

Die erste Kohlefaserplatte wird infusioniert.

Die Technik, die bei den ersten Kohlefasermonocoques verwendet wurde wird auch als cut-and-fold bezeichnet, die fertige Platte wird euf einer Seite angesägt/gefräst und dann wird die Stelle an der das Material abgekantet werden soll stark erwärmt und vorsichtig gebogen. Hier kann man einen sehr kleinen Temperaturbereich nutzen, bei dem das verwendete Epoxydharz thermoplastische Eigenschaften aufweist, ohne zu stark zu degradieren.

Die erste Platten sind zugesägt und werden positioniert.

Hier ist bereits die Grundform erkennbar, bisher wurden die einzelnen Teile nur teilweise aneinander fixiert.

Hier wurde der Bereich in dem die Platte eingeschnitten und abgekantet wurde angeschliffen, damit dieser danach überlaminiert (angewinkelt) werden kann.

In den nächsten Wochen werde ich immer wieder ein paar Bilder vom Entstehungsprozess zeigen. Dann wird sich auch der Grund zeigen, wieso das ein Projekt mit Mini Bezug ist.

dietmar

Zitat von Enne

Bestimmt kennst Du den hier https://www.gt40s.com/threads/carbon-gt-mono.24086/

Kannte ich nicht, aber durchaus interessant, die Herangehensweisen sind typisch (Leicht-)Flugzeugbauer. Wenn ich mich in den vergangenen Jahren nicht auch intensiv mit dem Motorsport und den dabei gängigen Lösungsansätzen beschäftigt hätte, würde ich wohl das meiste genau so lösen.

Aber so kann ich aus beiden Bereichen schöpfen.

Noch immer befinden wir uns weit in der Vergangenheit, genauer gesagt im Sommer 2017.

Die Seitenschweller und damit die einzigen richtigen Formteile für das Chassis müssen hergestellt werden. Aus einem PVC-Rohr, diversen beschichteten Spanplatten und etwas Spachtel wurde ein Urmodell gebaut und davon ein GfK-Abdruck, also eine Form, hergestellt. In dieser Form wurden nun die Außenschweller laminiert. Diese wurden wie auch bei der Bodenplatte außen etwas massiver gestaltet um später bei eventuellen Remplern oder einem Stein auf der Straße nicht gleich einen aufgeschlitzten Unterboden oder Seitenschweller zu haben.

Die fertig laminierte Außenschale des Schwellers.

In die infusionierte Außenschale werden die Waben eingepasst.

Die Wabe wird eingeklebt und mit Vakum verpresst um eine optimale Anbindung zu erreichen.

Das Saugvlies ist entfernt und das Innenlaminat wird auf einer Folie vorlaminiert.

Hier wurde das Innenlaminat auf den Wabenkern aufgebracht und abgesaugt, man sieht an den dunklen Stellen wie überschüssiges Harz im Vlies landet.

Irgendwann zeige ich auch was an der Karosse und im Innenraum gemacht wurde, aber das sollen hier nur Nebenschauplätze bleiben.

dietmar

Zitat von howlowcanyougo

Hi Dietmar,

schönes Projekt,....wobei du sicher auch deine klasse Arbeit an dem Maguire von Andre´ zeigen könntest.......

rock on...

Zu zeigen gäbe es viel, waren in den letzten Jahren einige Mini, Lotus, TVR, Marcos, Renault Alpine, Opel Speedster, Cobra, Fiat 500, MG-B, und diverse moderne Rallye-, GT,- Sportprototypen- und Formelfahrzeuge die entweder für Reparaturen, Neufertigung oder Änderung bei mir waren. Daneben wurden für fast alle deutschen Premiumhersteller Teile für Prototypen und Showcars gefertigt. Aber davon dürfen natürlich keine Bilder gezeigt werden...

Als kleinen Einblick zwei Bilder von meinem absoluten Lieblingsfahrzeug, einem Lotus Elan S2

Unfallschaden an der Front, leider verbargen sich darunter bereits zwei dilettantische Reparaturen...

......so wurde daraus eine Restaurierung der halben Fahrzeugkarosse, aber es hat sich gelohnt!
Vermutlich der einzige Elan mit passenden Spaltmaßen an der Front, die nicht durch den massiven Einsatz von Spachtelmasse beseitigt wurden.

Leider ist das alles schon zum Ende des vorletzten Jahres stark zusammengebrochen, was den Zustand unserer Automobilindustrie sehr gut wiederspiegelt. Orientierungslosigkeit trifft es wohl am besten, in 5-6 Jahren kommt das dann auch irgendwann beim Konsumenten an - ich bin sehr gespannt wohin das noch führt.

Dann gibt es noch meine zweite Leidenschaft, die Musikinstrumente. Im Kundenauftrag beschäftige ich mich schon seit knapp 10 Jahren damit, mittlerweile nur noch in Eigenregie. Einen kleinen Einblick gibt es unter Carbon-Klang

Einmal in der Sichtcarbon Variante.

Zwei Mal in der Hybrid Variante. Hierbei handelt es sich um eine furnierte Spezialausführung der Carbon Violine, die sich zum Beispiel unauffällig in ein klassisches Ensemble einfügt. Mit der schwarz/anthrazit farbenen Carbonoberfläche haben viele nach wie vor ihre Schwierigkeiten.

Leider ist mein Kundenkreis in diesem Fall Weltweit durch extreme Verdienstausfälle besonders stark von der Corona-Pandemie und ihren politischen Folgen betroffen, somit ist es da leider auch gerade gespenstisch ruhig.

Aber all das ermöglicht es eben auch, alte Projekte einmal weiter zu führen und nach langer Zeit wieder einmal etwas für einen selbst zu machen. In diesem Fall das Monocoque.

Weiter ging es mit dem ausrichten und fixieren der Seitenschweller an der Bodenplatte. Danach wurde der Übergang zuerst auf der Außenseite und später auf der Innenseite ausgeschäftet und überlaminiert. Auf diese Weise lässt sich eine strukturell einwandfreie Verbindung erreichen, ohne eine erhöhte Materialstärke zu Folge zu haben. Auf diese Weise werden auch Materialgerechte strukturelle Reparaturen ausgeführt. Für die genaue Vorgehensweise gibt es dafür erprobte Vorgaben aus dem Flugzeugbau.

Bodenplatte mit Seitenschwellern verbunden.

Nun wurden kleine Winkel gefertigt, die die Verklebung an den ansonsten unzugänglichen Stellen gewährleisten sollen.

Hier kann man die bereits eingeklebten Winkel im Mitteltunnel erkennen.

Für den Innenschweller wurden entsprechende Sandwichplatten gefertigt und zum Verkleben vorbereitet. Auch hier kommen solche Blindverklebewinkel zum Einsatz.

Die Bodenplatte wurde auf der Innenseite zwischenzeitlich mit dem Schweller verbunden. Man sieht gut die Blindverklebewinkel auf der Bodenplatte und der am hinteren Abschluss des Schwellerkastens. Für die Verklebung zum oberen Falz hin wurde der Blindverklebewinkel an die Innenschwellerplatte geklebt, da das praktikabler war.

Darauf hin wurden die Innenschweller verklebt und das Projekt musste zuerst einmal für längere Zeit pausieren.

dietmar

Nun befinden wir uns im Jahr 2020, draussen ist es sehr heiß somit fällt arbeiten im Garten aus. In der Werkstatt ist es auch ziemlich ruhig, also ein guter Zeitpunkt endlich wieder am Monocoque weiter zu arbeiten.

Es geht nach einer kurzen Bestandsaufnahme direkt da weiter wo ich damals aufgehört hatte. Die Einzelteile müssen miteinander verbunden werden.

Also die Innenschweller von innen "anwinkeln" - die hellen Flecken auf der Bodenplatte sind Markierungen für die spätere Position der Sitzschienenverschraubung.

Die "Dunstabzugshaube" mit angeschliffenen Bereichen für das Anwinkeln der einzelnen Teile.

Mittlerweile fertig angewinkelt und mit grünem Abreißgewebe abgedeckt. Das Abreißgewebe wird wie der Name vermuten lässt nach dem aushärten wieder abgerissen. Das Resultat ist eine Oberfläche bei der keine Faserbüschel abstehen und außerdem kann darauf ohne erneutes anschleifen direkt darauf laminiert oder verklebt werden.

Die Verschraubungspunkte für die Schaltung. Die Decklage wurde aufgeschliffen, die Hohlräume in den Waben mit einem Harz-Füllstoffgemisch (Glashohlkugeln) verfüllt. Durch das Verfüllen der Waben ist der Verschraubungsbereich Druckstabil.

Dann wurden die Stellen wieder überlaminiert und mit Abreißgewebe abgedeckt.

Bis hier hin war alles ziemlich überschaubar und einfach, ab jetzt werden Fakten geschaffen die sich nicht so leicht umkehren lassen, daher musste jetzt erst einmal gut geplant werden. Das betrifft vor allem alles was zukünftig im Mitteltunnel Platz finden muss. Da ich weder am Unterboden noch in den Seitenschwellern Leitungen haben mag, muss alles im Tunnel Platz finden und gut gesichert werden. Da Kupferrohre aus dem Heizungsbau nicht ganz meinen Vorstellungen entsprachen mussten Edelstahlrohre mit passendem Durchmesser und Länge gefunden werden - beim MG-F wurde ich da fündig.

dietmar

Zitat von cedric998

...scheint aber etwas mit heckmotor zu sein ...

bist du des Wahnsinns?

Will doch keinen Käfer fahren. Der Motor sitzt vor der Achse, wenn auch nur knapp. Nur mal so viel vorab, das Fahrzeug stand Pate bei der Entwicklung der Lotus Elise, stammt aber aus dem Jahr 1967.

dietmar

Jetzt wird es wie bereits geschrieben ernst, die ersten Teile können miteinander verklebt werden. Das ist der Mitteltunnel mitsamt der "Dunstabzugshaube" und der vorderen Spritzschutzwand.

Die Bodenplatte hat auf einer stabilen Aluplatte Platz genommen und liegt darauf jetzt absolut plan. Somit konnte jetzt wie oben geschrieben der Mitteltunnel, ohne das Risiko eines Verzuges, aufgeklebt werden. Die gelben und grauen Blöcke die als Beschwerung verwendet werden sind Kunststoffblockmaterial, was wir ansonsten für das Fräsen von Werkzeugen verwenden. DAs Material lässt sich leichter und schneller als Aluminium bearbeiten, ist aber günstiger und lässt sich leichter nachbearbeiten. Dafür ist die Standzeit je nach Dichte auch etwas schlechter als bei Metallwerkzeugen - wobei das bei geringen Stückzahlen oder einmal Verwendung ohnehin keine Rolle spielt.

Hier sieht man die Feuerwand und die "Dustabzugshaube" mi der Bodenplatte verklebt.

An dieser Stelle führt kein Weg an einer CAD - Lösung vorbei, wobei CAD hier für CardboardAidedDesign steht. Die Pappschablonen können hinterher sehr gut auf die Sandwichplatte übertragen werden.

Noch einmal von der anderen Seite. Der Längsträger auf der rechten Seite bedarf noch einer Modifikation, damit später die Kupplungsglocke und der Kupplungsnehmerzylinder Platz haben. Auf den sonst üblichen Kühler und die mechanische Wasserpumpe auf der linken Seite brauche ich keine Rücksicht zu nehmen, denn beides wird es nicht geben.

Wofür die Längsträger aus Pappkarton gut sein sollen lässt sich hier doch schon ganz gut erahnen. Endlich gibt es auch das erste Mini-Teil zu sehen - einen rostigen alten vorderen Hilfsrahmen. Nachdem dieser exakt ausgerichtet war, wurden die Gewindebuchsen (in diesem Fall handelsübliche Rampa Muffen) mit etwas eingedicktem Harz an Ort und Stelle fixiert. Später werden diese noch richtig einlaminiert, auf dass sie dann die an der (angetrieben) Hinterachse auftretenden Kräfte gut in das Chassis einleiten können. Ich habe mich aus Gründen der Befestigung und Krafteinleitung bewusst für den späten Hilfsrahmen mit nur einer Schraube entschieden, aber dazu später mehr.

dietmar

Nachdem die Längsträger in ihrer Form optimiert waren, war es wieder an der Zeit eine neue Sandwichplatte zu bauen. Da ich mir über die noch benötigte Fläche im Unklaren war, wurde zuerst einmal mit den Pappschablonen etwas gepuzzelt.

Auf der bereits infusionierten und ausgehärteten Außenlage werden die Pappschablonen positioniert um die optimale Flächennutzung für minimalen Verschnitt zu finden.

Diesmal gab es eine kleine Herausforderung, ein Teil der Platte musste dicker als der Rest sein. Wie schon bei den bisherigen Teilen kamen Waben mit unterschiedlichen Stärken zum Einsatz. Bei dem weißen Material handelt es sich um das Absaugvlies das bei der Verklebung der Sandwichplatte zum Einsatz kam. Durch das Vlies wird sichergestellt, dass der Pressdruck von ca. 1 Bar (durch das Vakuum wirkt die Atmosphäre wie ein riesiger Preßstempel auf das Bauteil) auf der gesamten Fläche gleichmäßig wirken kann.

Die fertige Sandwichplatte ist ausgepackt und bereit zum Anzeichnen der Zuschnitte. Der dickere Teil der Platte ist links vorne deutlich erkennbar.

Das ist fast alles was von der großen Platte nach dem Zuschneiden übrig ist, ein Stapel von Einzelteilen, die auf ihre weitere Verarbeitung warten.

Beim Ausmessen der Position der Spritzwand ist mir ein fataler Fehler unterlaufen, ich hatte mich um exakt 50mm vermessen und die Spritzwand zu weit hinten positioniert. Daher wurde die Spritzwand nochmals von der Bodenplatte getrennt und der Tunnel aufgeschnitten. Nicht nur schwierig das sauber aufzutrennen, sondern auch sehr ärgerlich. Aber leider bleiben solche Mißgeschicke auch bei sauberer Planung nie ganz aus. Nun wurde die Spritzwand neu ausgerichtet und dann provisorisch an der richtigen Stelle positioniert.

Auch von vorne musste die Spritzwand sauber abgestützt werden, damit diesmal wenigstens alles richtig passt. Um den entstandenen Spalt in der Bodenplatte und dem Tunnel kümmere ich mich später. Zwischendurch wurde noch die Position der Handbremse definiert und ein Durchbruch dafür im Tunnel geschaffen. Der Handbremshebel wurde entsprechend modifiziert, die Verschraubungspunkte und alles weitere dafür werden später in Angriff genommen.

dietmar

Nur bevor der Eindruck entsteht, vieles was ich hier zeige dauert natürlich viel länger, aber wenn jeden Tag nur 1-2 Bildchen ohne sichtbaren Fortschritt kommen, dann wird das ja auch schnell langweilig. Daher passiert auch bei mir das meiste im Zeitraffer.

Manchmal kommt man um die Herstellung eines einfachen Formwerkzeuges nicht herum. Diesmal für die obere Aufnahme des vorderen Hilfsrahmens. Auch hier zeigte sich später, dass die Realität leider etwas komplizierter ist und dann nochmal nachgearbeitet werden musste.

Nun konnten die ersten Puzzleteile ausgerichtet und an Ort und Stelle fixiert werden. So langsam nimmt auch das Vorderteil Gestalt an.

Das gleiche gilt für die Längsträger, nun sind sie nicht mehr aus Pappkarton.

Weiter geht es mit dem unerlässlichen Anwinkeln an der "Dunstabzugshaube", diesmal allerdings von hinten. Das war nötig, bevor die Längsträger dort verklebt werden.

Auch am Vorderbau wurde angewinkelt. Endlich ist nicht mehr alles labil und wackelig. Aber so richtig steif wird es erst, wenn die Radkästen drin sind und alles auch von innen angewinkelt und verstrebt ist.

Auch die Längsträger müssen von der Innenseite her angewinkelt werden.

Eine ziemlich enge Angelegenheit, da die Längsträger in diesem Bereich relativ eng sind und es mit dem Pinsel durchaus schwierig ist Gewebe und Harz an ihren Bestimmungsort zu bringen.

Noch eine Frage an die Leser/Betrachter: Soll ich bei den Beschreibungen noch tiefer ins Detail gehen, oder reichen die relativ oberflächlichen Angaben? Die Frage bezieht sich sowohl auf die statischen Überlegungen zur Auslegung als auch zu der konkreten Umsetzung.

dietmar

Zitat von clubman82

Sind die Längsträger auf Gehrung gesägt bevor sie verklebt wurden, oder stumpf aneinander?

Die einzelnen Platten sind immer mehr oder weniger exakt aneinander angepasst, Gehrung klappt nur bei einfachen 90° Winkeln - leider sind das die wenigsten...

Andererseits spielt das für die mechanische Anbindung auch eine untergeordnete Rolle, da die eigentliche Kraftübertragung durch die Anwinklungen, also die überlaminierten Gewebestreifen, hergestellt wird.

Nun sind die Längsträger das erste Mal zur Anprobe in Position.

Schnell aus Glasfaser ein passendes Röhrchen gewickelt für die großen Rahmenschrauben.

Platz für Kupplungsglocke und Nehmerzylinder ist auch genug.

Da alles soweit passt, schnell noch die Längsträger von außen angewinkelt, das geht so einfach besser als nachher am Chassis dran. Schnell heißt in diesem Zusammenhang inklusiver aller Vorarbeiten einen guten Vormittag lang.

Demnächst werde ich dann auch nochmal auf diese ominösen Anwinklungen, deren Sinn und Zweck und wie sie ausgeführt werden etwas näher eingehen. Dazu bedarf es aber noch etwas passenden Bildmaterials.

dietmar