Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Eigenschaften der Verbindungszone in textilverstärkten Thermoplast-Hybridstrukturen

Die aktuelle Entwicklung von Leichtbaukonstruktionen beinhaltet immer stärker Hybridbauweisen aus kurz- oder langfaserverstärkten thermoplastischen Formmassen und textilverstärkten Halbzeugen in Form von Organoblechen oder Tapes. Die Kombination aus textilen 2D-Einlegern, die im Spritzgießwerkzeug in 3D umgeformt werden, und angespritzten Strukturelementen erzielen im Vergleich zu klassischen Faserverbundtechnologien, wie dem RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Molding), eine deutlich kürzere Taktzeit sowie den Zugewinn von geometrischen Freiheitsgraden. Für eine hohe Tragfähigkeit derartiger Bauteile ist die Verbindungsfestigkeit zwischen Spritzgießstruktur und Faserverbund von immenser Bedeutung. Sie wird von einer Vielzahl geometrischer, werkstofflicher und prozesstechnischer Randbedingungen beeinflusst. Bisher fehlt es den Entwicklern und Konstrukteuren an systematisch aufbereitetem Wissen zur werkstoff- und prozessgerechten Gestaltung und Auslegung dieser Verbindungszonen. Ziel ist es daher, die Verbundhaftung zwischen angespritzten Verstärkungsstrukturen wie Rippen oder Schraubdomen und dem ins Spritzgießwerkzeug eingelegten textilen Halbzeug umfassend zu analysieren sowie die Ergebnisse anschließend in konkrete Konstruktions- und Verarbeitungsrichtlinien zu überführen. Der aus den Forschungsergebnissen generierte Konstruktionsleitfaden für die bauteilgerechte Gestaltung der Verbindungszonen von Hybridstrukturen ist v. a. für Formteilkonstrukteure, Werkzeugbauer und Spritzgießverarbeiter aus dem KMU besonders wichtig. Dazu werden geeignete Prüfkörper und -prozeduren entwickelt, die typische Fragestellungen zur Bauteilauslegung aufgreifen, wie die Gestaltung der Rippenfußgeometrie oder die rheologisch günstigste Anbindung der Strukturelemente an das Organoblech im Spritzgießwerkzeug. Neben den genannten Einflussgrößen stehen die Faserorientierung der textilen Halbzeuge und die Prozessparameter und Verarbeitungsbedingungen bei der Bauteilherstellung im Fokus.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse vertiefen das Wissen über die Verbindungszone der

textilverstärkten Thermoplast-Hybridstrukturen. Durch die systematische Vorgehensweise und die neuentwickelte

Prüftechnik konnten die Einflüsse von Geometrie, Material und Prozess auf die Verbindungsfestigkeit für

verschiedene Lastfälle quantitativ herausgearbeitet werden. Die aus den Ergebnissen abgeleiteten

Gestaltungsrichtlinien für die Auslegung thermoplastischer Hybridstrukturen versetzen Konstrukteure und

Entwicklungsingenieure in die Lage, Strukturbauteile in Leichtbauweise zukünftig sicherer herzustellen.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind für alle Beteiligten der Wertschöpfungskette von

Leichtbau-Hybridstrukturen in hohem Maße nützlich. Hierzu gehören vor allem die zahlreich in der Entwicklung

tätigen Ingenieurbüros sowie Werkzeugbauer, in denen KMU stark vertreten sind. Auch Zulieferer, insbesondere

der Automobilindustrie mit dem stetig wachsenden Markt der Elektromobilität, können von den Ergebnissen

profitieren. Speziell viele klein- und mittelständische Kunststoffverarbeiter haben sich bislang noch nicht mit dem

Umgang textilverstärkter Hybridstrukturen auseinandergesetzt und besitzen dementsprechend wenig Know-how

auf diesem Gebiet. Die erarbeiteten Gestaltungsrichtlinien erleichtern den KMU den Einstieg in diese neue

Thematik und tragen dazu bei, Hybridstrukturen für den Leichtbau vermehrt einzusetzen. Gerade in Hinblick auf

dem derzeit stattfindenden Wandel im Fahrzeugbau, bei dem die Elektromotoren zunehmend die klassischen

Verbrennungsmotoren ersetzen, bekommt der Leichtbau eine immense Bedeutung.

Neben den wissenschaftlich-technischen Zielen trägt das Vorhaben auch zur Erreichung volkswirtschaftlicher und

gesellschaftlicher Ziele bei. So kann in Zukunft das Versagensverhalten von Hybridstrukturen genauer

vorherbestimmt werden, wodurch die Sicherheit von Fahrzeugstrukturen erhöht und die Lebensdauer verlängert

wird.