Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Substitution von metallischen Schubfeldern im Fahrzeugbau durch fügetechnische Integration von FKV-Schalen

Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) ersetzen im Fahrzeugbau zunehmend konventionelle Metallwerkstoffe. Dabei kommen vermehrt FKV mit thermoplastischer Matrix zum Einsatz. In Kombination mit Metallen lassen sich hochwertige gewichtsoptimierte Mischbauweisen umsetzen. Das Fügen von FKV und Metallen stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da derzeit die Faserstruktur geschädigt und damit die Festigkeit der Bauteile erheblich reduziert wird. Das Projektziel ist die Bereitstellung einer Fügetechnologie zur werkstoff- und kraftflussgerechten Integration thermoplastischer FKV ohne Faserschädigung, die sich durch kurze Zykluszeiten, einseitige Zugänglichkeit, Kosteneffizienz, hohe Reproduzierbarkeit ohne Nacharbeit, geringe Investitionskosten und hohe Anlagenverfügbarkeit auszeichnet. Die zu entwickelnde Fügetechnologie basiert auf einem neuen Ansatz, bei dem ein Schweißdraht mit einem MSG-Brenner in die plastifizierte FKV-Fügezone zugestellt wird. Nachdem der Schweißdraht den metallischen Fügepartner an der Unterseite kontaktiert, wird er an diesen geschweißt. Nach der Trennung des Schweißdrahtes durch einen Impuls, erfolgt die Formung eines Schließkopfes am so entstandenen Pin. Aufgrund des kleinen Verbindungselementes, sind reduzierte Flanschbreiten gegenüber derzeit verwendeten Verfahren (z.B. Blindnieten) realisierbar. Das Fügeverfahren soll für mediendichte Verbindungen darüber hinaus mit dem Kleben kombiniert werden. Die KMU profitieren von einer Fügetechnologie mit geringen Investitions- und Montagekosten, einem effizienten Fügeprozess mit geringem Energiebedarf basierend auf bekannter Schweißtechnologie, der Umsatzsteigerung aufgrund möglicher neuer Geschäftsfelder und Absatzmärkte sowie durch die hohe Rohstoffeffizienz durch Ausnutzung der Werkstoffperformance. KMU werden in die Lage versetzt, auf dem nationalen und internationalen Markt Alleinstellungsmerkmale durch hochinnovative Leichtbauprodukte ohne Erhöhung der Produktionskosten zu erlangen.

Ergebniszusammenfassung:

Bei dem entwickelten Fügeverfahren werden die Fasern eines thermoplastischen Faserkunststoffverbund (FKV) im Fügebereich verdrängt, statt wie nach den meisten Methoden des Stands der Technik, durchtrennt. Dazu ist eine lokale thermische Erweichung der thermoplastischen Matrix notwendig.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde im ersten Schritt eine Strategie zur lokalen Erwärmung der FKV mittels Infrarot-(IR)-Strahlung ausgelegt. Zur Vorhersage und detaillierten Analyse der Temperaturfelder und -verläufe wurden numerische Berechnungsmodelle entwickelt. Die Wärmeeinbringung mittels IR-Strahlung ist eine weit verbreitete Methode in Fertigungs- und Fügeprozessen. Durch die Simulation werden der experimentelle Aufwand und die Entwicklungskosten reduziert sowie die Prozesssicherheit erhöht. Die ausgearbeitete Simulationsstrategie kann auf weitere technische Anwendungsfelder adaptiert werden und stellt damit einen erheblichen Mehrwert insb. für KMU dar, die solche Systeme entwickeln.

In den folgenden Bearbeitungsschritten konnte ein Verfahren zum CMT-Pin-Schweißen von dielektrischen FKV entwickelt werden. Es wurden zahlreiche Prozessparameter, deren Einfluss und die resultierende Bauteilqualität analysiert. Als am besten geeignete Methode wurde das vorhergehende Durchdringen des FKV identifiziert. Im ersten Prozessschritt wird der FKV lokal erwärmt und anschließend durch die Vorschubbewegung des Roboters mit dem spitzen Schweißdraht durchdrungen und dabei die lasttragenden Fasern aus dem Fügebereich verdrängt. Nachdem das Organoblech auf die Stahlkomponente abgesenkt wurde, erfolgt das eigentliche Pin-Schweißen. Es konnten im Vergleich zum Kleben hohe Festigkeiten und eine hohe Brucharbeit erzielt werden. Potentielle Einsatzfelder der Fügemethode sind der Automobilbau, der Schienenfahrzeugbau, die Luft- und Raumfahrt sowie die Sportgeräteindustrie.

Eine detaillierte Beschreibung der Projektergebnisse wird im Sachbericht gegeben.