Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verstärkung dünner formgehärteter Bauteile mit FVK-Verrippungen

Der Schwerpunkt in diesem Forschungsvorhaben soll, in dem noch nicht erforschten Bereich, der Anbindung von faserverstärkten Thermoplasten an formgehärtete Bauteile ohne zusätzlichen Haftvermittler oder eine zusätzliche Oberflächenvorbehandlung liegen. Des Weiteren soll als Vergleichsmöglichkeit auch die Anbindung thermoplastischer Kunststoffe an kaltumgeformte Stahlgüten untersucht werden. Zurzeit gibt es keine Forschungsvorhaben, die sich mit dem Direktfügen zur Verstärkung formgehärter Bauteile befassen. Es soll eine neue Prozesskette aufgebaut werden, mit der eine Gewichtsreduzierung von formgehärteten Bauteilen (bzw. kaltumgeformten Bauteilen) und faserverstärkten Kunststoffen (FVK) möglich ist ohne auf zeit- und kostenintensive Verfahren oder Oberflächenstrukturierungen bzw. eine Einbringung zusätzlichen Haftvermittlers. Somit lässt sich eine Gewichtsersparnis durch die Blechdickenreduzierung der Stahlkomponente erzielen und die Steifigkeit und die erforderlichen Crasheigenschaften über die FVK-Verstärkung optimieren.

Ziel ist es, bei geringerem Bauteilgewicht die Steifigkeit des hybriden Bauteils zu erhöhen. Die Umsetzung dieser Prozesskette ohne einen zusätzlichen Haftvermittler oder eine Oberflächenvorbehandlung ist in bisherigen Forschungsvorhaben noch nicht untersucht worden.

Um die Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten, soll die Umsetzung der Prozesskette auf Maschinen, die zurzeit bei OEM’s und KMU's vorhanden sind, möglich sein. Entlang der neu entwickelten Prozesskette werden KMU bei der Erwärmung, dem Transfer, der Werkzeugfertigung sowohl Prüftechnik profitieren und neue Geschäftsfelder erschließen. In weiteren Versuchen sollen auch kaltumformbare Stahlgüten genutzt werden, um zu untersuchen, inwieweit das Fügen ohne Haftvermittler mit einem FVK möglich ist. Die Vorteile des neuen Bauteiles liegen in der Verbesserung des Crashverhaltens aufgrund der möglichen höheren Kraft- und Energieaufnahme und der Verbesserung des Schwingungs- und Geräuschverhaltens.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des IGF-Forschungsprojektes „Verstärkung dünner formgehärteter Bauteile mittels FVK-Verrippungen“ wurde eine Prozesskette zur Herstellung von Hybridbauteilen mittels wärmeunterstützten Pressfügens und Fließpressens von glasfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen und formgehärteten Stahl erarbeitet. Die Grundbasis der Hybridbauteile wird durch formgehärtete Hutprofile aus dem Material 22MnB5 gebildet. Die Platinen sind von Werk aus mit einer AlSi-Schicht versehen. Die raue Oberfläche dieser Beschichtung ermöglicht eine Verklammerung des GMT-Materials in der Oberfläche. Mittels des kombinierten wärmeunterstützten Pressfüge- und Fließpressvorgangs wurden in der Innenkontur der Hutprofilbleche im nächsten Prozessschritt GMT-Verstärkungsrippen zwecks Bauteilverstärkung aufgestellt . Das Formhärtewerkzeug verfügte über verschiedene Stempel, so dass 1,2 und 1,5 mm dicke Bleche verarbeitet werden konnten. Ferner verfügte das Fließpresswerkzeug ebenfalls über verschiedene Stempel, wodurch die Auswirkung verschiedener Radien im Fußbereich der Rippen (2,5 , 4,0 und 5,5 mm) untersucht werden konnte. Die Auswertung zeigt, dass durch das Einbringen einer GMT-Rippenstruktur die Performance der Demonstratorbauteile grundsätzlich gesteigert werden kann. Dies bedeutet im Einzelnen, dass durch die Versteifungsstruktur die initiale Kraft und die Energieaufnahme gesteigert (jeweils etwa +100%) sowie die Deformation um etwa ein Drittel verringert werden konnte. Wird die Auslegung der Referenzstruktur für den Crashfall als bereits ausreichend dimensioniert angenommen, so erscheinen weitere Gewichtseinsparungen durch Reduzierung der Blechdicke als möglich. Bei der Auslegung der hybriden Bauteile muss allerdings ein erhöhter Schwankungsbereich der erzielbaren Ergebnisse berücksichtigt werden. Die Anwendungsmöglichkeiten erstrecken sich auf Metall-GMT-Hybridbauteile, in denen besonders beanspruchte Bereiche verstärkt werden müssen.