Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Formschlüssige In-Mould-Verbindung zwischen FVK und einem mit Fließlochhülsen strukturierten Blechleinleger

Der hybride Leichtbau mit integralen Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden und Metallen ist ein vielversprechender Ansatz zur weiteren Senkung des Fahrzeuggewichts unter den Produktionsbedingungen der automobilen Großserie. Jedoch stellen integrale Hybridverbunde für Fügeverfahren eine technologische Herausforderung dar. Mit diesem Forschungsvorhaben wird eine neue Technik zur Umsetzung einer belastungs- und anforderungsgerechten, formschlüssigen Verbindung zwischen einem FVK und einem strukturierten Metalleinleger entwickelt.

Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, Fließlochhülsen und deren Kragen als Elemente der Blechstrukturierung zu verwenden und durch Hybrid-Spritzgieß-Verfahren einen multiaxial belastbaren Werkstoffverbund herzustellen. Im Rahmen der Entwicklung wird auf numerische Verfahren zurückgegriffen, um eine realitätsnahe Vorhersage des Fließ- und Versagensverhaltens der verwendeten Werkstoffe sowie der zu erzielenden Fließlochhülsengeometrie zu ermöglichen. Sowohl die Hülse als auch der Kragen werden durch die Verfahrensparameter des Fließlochformers sowie durch dessen Werkzeuggeometrie eingestellt. Die Werkzeuggeometrie wird im Arbeitsbereich des Fließlochformers und in seinem Kragen variiert, so dass anforderungsgerechte Hülsengeometrien identifiziert und über die Bewertung der Verbundfestigkeit charakterisiert sind.

Das geplante Forschungsvorhaben adressiert vor allem Hersteller von Fließlochformern und Setzanlagen die vorrangig den KMU zuzuordnen sind. Dies ermöglicht den KMU's den Eintritt in neue Wachstumsmärkte des hybriden Leichtbaus. Technologieträger des Projekts ist der in diesem Forschungsvorhaben neu entwickelte Fließlochformer mitsamt dem Verfahren zur lastpfadgerechten Strukturierung der Blecheinleger. Die numerische Abbildung der angewendeten Verbindungstechnologie trägt dazu bei, diese Technologie gezielt einzusetzen und die Entwicklungszeit für die Prozessauslegung zu verringern.

Ergebniszusammenfassung:

Das allgemeine Ziel des Forschungsvorhabens war die Erhöhung der Verbundfestigkeit von im In-Mould-Verfahren hergestellten Bauteilen. Dafür sollten im Fließlochformprozess entstehende Hülsen in ein Metallblech eingebracht werden, um als Verklammerungsstrukturen einen Formschluss zum an- und umspritzten faserverstärkten Kunststoff (FVK) zu bewirken. Durch die vergrößerte Wirkfläche der Hülse wird ein höherer Lasteintrag ermöglicht und die Kerbwirkung reduziert. Beides trägt zur Erhöhung der Verbundfestigkeit zwischen Blech und FVK bei. Anhand eines Vergleichs der Simulationsansätze FE-Methode, FV-Methode und Partikel Methode zur numerischen Abbildung des Fließlochformens konnte die FV-Methode als am besten geeignet identifiziert werden, um die Ausbildung der oberen und unteren Hülse abzubilden. Verglichen wurden die Ergebnisse der numerischen Modelle mit experimentellen Fließlochformversuchen bezüglich der Hülsengeometrie und der Temperaturentwicklung im Blech. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden diverse Prozessparameter hinsichtlich ihres effektiven Einflusses auf die Ausprägung einer anforderungsgerechten Hülsengeometrie untersucht. Dabei hat insbesondere eine identifizierte Kombination aus hohem Werkzeugdrallwinkel, einer Drehung in Vorschubrichtung, ein vom Werkzeugdurchmesser abhängiger Mindestvorschub sowie eine vom Werkzeugdurchmesser abhängige Maximaldrehzahl zu reproduzierbaren Hülsengeometrien mit hohen übertragbaren Scherkräften geführt. Ferner konnte durch ein Aufweiten der oberen Hülsengeometrie mittels eines an der Werkzeugschulter eingebrachten und numerisch bestimmten Fasenwinkels von 135° die effektive Traglast der FVK-Metall-Verbindung zusätzlich um +21 % gesteigert werden. Durch die Beschreibungen im Abschlussbericht und im Merkblatt werden KMU dazu befähigt im In-Mould-Verfahren hergestellte FVK-Metall-Verbunde um ein einfach einzubringendes Strukturelement zu ergänzen und so die Verbundfestigkeit maßgeblich zu steigern.