Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wirtschaftliche Fertigung belastungsgerechter FVK/Metall-Verbunde

Metallische Bauteile haben sich auf Grund ihrer Verarbeitungs- und Bauteileigenschaften, wie eine hohe Duktilität und isotrope mechanische Eigenschaften, weitreichend durchsetzen können. Vor allem Verfahren zur Herstellung von Blechbauteilen zeichnen sich durch eine hohe Produktivität aus. Faserverstärkte Kunststoffe hingegen zeichnen sich durch großes Leichtbaupotenzial, aber unwirtschaftliche Fertigungsverfahren aus. Werden die Eigenschaften beider Werkstoffe kombiniert, können Bauteile mit metallischen Eigenschaften in Bereichen hoher Zugspannungen durch CFK-Tapes verstärkt werden. So kann die gesamte Blechdicke reduziert und ein hoher Leichtbaugrad erreicht werden. Blechbauteile mit belastungsgerecht applizierten CFK-Tapes zwischen metallischen Deckblechen bieten somit großes Leichtbaupotenzial. Verfahren, die eine Applizierung und Verarbeitung solcher hybride im Großserienmaßstab erlauben, existieren bisher jedoch nicht.

Ziel dieses Vorhabens ist es, daher einen Prozess zur wirtschaftlichen Herstellung belastungsgerechter FVK-Metall-Sandwichbauteilen zu etablieren. Hierzu werden CFK-Blech-Stapel zusammengestellt und in einem zweistufigen, je isothermen Werkzeugsystem zum Bauteil verpresst. In der ersten Stufe erfolgt die Erwärmung und Imprägnierung der Tapes und in der zweiten die Umformung des noch erwärmten Halbzeugs und Abkühlung zur Entnahme. Es werden Taktzeiten von <1 min angestrebt.

Gegenüber bisher bekannten Verfahren wird die Fertigung solcher Hybride wirtschaftlicher, energiesparender und zugleich steigt das Leichtbaupotenzial der Bauteile. Mit der Etablierung dieses Verfahrens und der erhöhten Handhabungsaufwand profitieren vor allem Automatisierungs- und Handhabungsspezialisten, die häufig den KMU zugehörig sind. Gleichzeitig steigt das notwendige Know-How spezialisierter Werkzeugbauer zur Auslegung und Fertigung temperierter Umformwerkzeuge mit nicht konstantem Werkzeugspalt. Prepreg-Anbieter könnten dem aktuellen KMU-Status entwachsen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des IGF-Forschungsprojektes „Wirtschaftliche Fertigung belastungsgerechter FVK/Metall-Verbunde“ wurde die Entwicklung einer Fertigungszelle zum gemeinsamen Umformen und wärmeunterstützten Pressfügen von Stählen und endlosfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen in Form von sogenannten unidirektionalen Carbon-Faser-Tapes durchgeführt. Um Taktzeiten von 65 Sekunden zu erreichen, wird auf eine automatisierte Handhabung der Halbzeuge mittels zweier Roboter und ein isothermes, zweigeteiltes Werkzeugkonzept zurückgegriffen.

Anhand von GOM-Aufnahmen konnte die Maßhaltigkeit der Bauteile exemplarisch untersucht und bestätigt werden. Im Rahmen von Plättchenbiegeversuchen erfolgte eine erste Untersuchung der erzeugten Verbindungen. Ferner erfolgte eine ausführliche Prüfung aller angefertigten Bauteile durch 3-Punkt-Biegeversuche. Es wurden acht Versuchsreihen untersucht, bei denen verschiedene Metalle, verschiedene Lagenaufbauten (Bauteile mit und ohne Verstärkungen) und ein zusätzlicher Haftvermittler untersucht wurden. Des Weiteren wurden die Umformparameter der Pressenkraft, der Haltezeit im Werkzeug und die Temperatur der Umformstufe variiert. Alle Versuchsreihen zeigten im späteren Vergleich mit einem monolitischen, 1 mm dicken, DC03 Blech höhere spezifische Belastbarkeiten bis hin zu 56,8 % auf. Neben der mechanischen Prüfung, erfolgte auch eine visuelle Prüfung anhand von Schliffbildern um Verschiebungen von Faserlagen, Imprägnierfehler und Gasblasen besser beurteilen zu können.

Die Anwendungsmöglichkeiten erstrecken sich auf Metall-CFK-Tape-Hybridbauteile, in denen besonders beanspruchte Bereiche verstärkt werden müssen.