Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung multifunktionaler Schnittstellen zum Verbinden von FKV mit Metallen unter Nutzung etablierter Fügeverfahren

Mischbauweisen mit Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) und Metallen bieten ein hohes Potential für ressourcen- und kosteneffizienten Leichtbau. Ein Hemmnis für den Serieneinsatz von FKV stellt bislang jedoch häufig die Verfügbarkeit geeigneter Fügeverfahren dar. Speziell für FKV entwickelte Fügetechnologien sind zumeist nicht auf die Prozessketten der Serienfertigung abgestimmt. Insbesondere in der Industrie besteht die Forderung, trotz steigender Werkstoffvielfalt die Anzahl unterschiedlicher Fügeverfahren zu reduzieren. In diesem Forschungsvorhaben soll daher eine neue vorwettbewerbliche Technologie für schädigungsarme, kraftflussgerechte FKV/Metall-Verbindungen unter Anwendung etablierter punktueller Fügeverfahren wie Widerstandspunktschweißen (WPS) oder Clinchen entwickelt werden. Hierzu werden metallische multifunktionale Schnittstellen (MFS) bereits während der Bauteilfertigung in eine FKV-Struktur integriert. Für thermoplastische FKV soll dies durch ein Dornwerkzeug erfolgen, welches das erwärmte Organoblech durchdringt und dabei die Fasern umlenkt, anstatt diese zu durchtrennen. Im selben Prozessschritt wird die Schnittstelle eingebracht und ein matrizenseitig angeordneter Gegenstempel bewegt das Material aus dem entstandenen Durchzug zurück in die Laminatebene, wodurch ein Formschluss zwischen Schnittstelle und FKV erzeugt wird. Anschließend kann das FKV-Bauteil mittels etablierter punktueller Fügeverfahren prozesssicher mit Metall-Strukturen verbunden werden. Dieses neuartige Verbindungssystem soll den kostengünstigen, effizienten Einsatz von FKV-Strukturen in modernen Mischbauweisen durch Integration in bereits verfügbare Montageprozessketten für klassische Metallbauweisen ermöglichen und damit einen hohen Nutzen für die beteiligten KMU schaffen.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Forschungsvorhaben wurde eine neue vorwettbewerbliche Technologie für schädigungsarme, kraftflussgerechte FKV/Metall-Verbindungen unter Anwendung etablierter punktueller Fügeverfahren wie Clinchen und Widerstandspunktschweißen entwickelt. Hierzu werden metallische multifunktionale Schnittstellen bereits während der Bauteilfertigung mit einem Dornwerkzeug schädigungsfrei in eine thermoplastische FKV-Struktur integriert. Unmittelbar nach der Einformung der Schnittstelle im FKV presst ein matrizenseitig angeordneter Gegenstempel das Material aus dem entstandenen Durchzug zurück in die Laminatebene, wodurch ein Formschluss zwischen Schnittstelle und FKV erzeugt wird. Zu Beginn des Vorhabens wurden zunächst verfahrensspezifische Schnittstellen unter Zuhilfenahme der numerischen Simulation entwickelt, wobei jeweils zwei Vorzugsgeometrien der Schnittstellen erarbeitet wurden, die im Lauf des Projekts iterativ angepasst wurden. Die Erkenntnisse zu den verfahrensspezifischen Schnittstellen sind darüber hinaus in die Entwicklung multifunktionaler Schnittstellen eingeflossen. Anhand von Prozesssimulationen wurde eine geeignete Schnittstellengeometrie entwickelt, welche anschließend experimentell erprobt wurde. Es konnte nachgewiesen werden, dass mit derselben Geometrie qualitativ hochwertige Clinch- und Schweißverbindungen hergestellt werden können, welche anforderungsgerechte Tragfähigkeiten erzielen. Die Verbindungseigenschaften wurden umfassend anhand von Zugprüfungen unter quasistatischer und zyklischer Belastung ermittelt.

Abschließend wurde eine dreidimensionale Demonstratorstruktur entwickelt und gefertigt. Anhand dieser konnte gezeigt werden, dass die Technologie auch für anwendungsrelevante Einsatzszenarien geeignet ist. So wurden verschiedenen Flanschbreiten, unterschiedliche Zugänglichkeiten der Fügestellen und die simultane Einformung mehrerer Schnittstellen in eine FKV Struktur erfolgreich erprobt.