Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Papierbasierte Leichtbauverbundmaterialien für den Fahrzeug- und Gerätebau

Forschungsziel

In bisherigen Fahrzeugkonstruktionen können Papierwaben in einer Sandwichkonstruktion gemeinsam mit Außenlagen aus Blech oder Kunststoffen eingesetzt werden. Damit sich die durch Temperatur und Feuchtigkeit hervorgerufenen Eigenspannungen des Bauteils jedoch nicht als Oberflächendefekt abzeichnen, sind entsprechende Decklagen und Entkopplungsschichten nötig, deren Leichtbaupotential, Nachhaltigkeit und Verfahrenseffizienz aktuell nicht ausgeschöpft sind.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, entsprechende nachwachsende Papieralternativen zum Ersatz dieser Schichten zu entwickeln, welche verbesserte Eigenschaften zu den bisherigen Materialien aufweisen. Die fertigen Halbzeuge vereinfachen die Prozesskette der Verbundherstellung für den Leichtbau, der höchsten Anforderungen hinsichtlich der Oberflächengüte genügen muss.

Lösungsweg und Nutzen für kmU

Hierfür werden die bekannten Defekte und Einzelkomponenten sowie deren Wechselwirkung mit Temperatur oder Feuchte zunächst messtechnisch erfasst und im Rahmen eines Simulationsmodells abgebildet. Mit dessen Hilfe soll im Anschluss ermittelt werden, wie die neuartigen Lagen aufgebaut sein müssen, um Oberflächendefekte wirksam zu verhindern. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Fertigung eines Demonstrationsbauteils ein.

Als Ergebnis des Projektes entfällt Wissen darüber, wie ein leichtes und kostengünstiges Papierverbundbauteil zur Verwendung im Fahrzeugbau herstellbar ist. Darüber hinaus wird eine deutliche Erweiterung des bisherigen Wissens zur Dimensionsstabilität von Papieren erwartet, welches auf vielseitige papierrelevante Fragestellung übertragen werden kann. Beide Punkte generieren direkten Nutzen für kmU.

Transfer

Der Transfer der Ergebnisse in die Wirtschaft erfolgt über spezialisierte Weiterbildungsveranstaltungen und Diskussionsrunden mit Industriepartnern sowie eigene Print- und elektronische Publikationen.

Ergebniszusammenfassung:

Aufgrund des geringen Gewichts & der hohen Festigkeit & Steifigkeit sowie um den CO2-Ausstoß zu reduzieren & die allgemeine Nachhaltigkeit zu verbessern, ersetzen Mehrschichtverbundmaterialien (Sandwichbauteile) zunehmend Komponenten im Innen- & Außenbereich von Kraftfahrzeugen. Um diese ökologischer & nachhaltiger zu gestalten, werden Papierwabenkerne als Alternative zu herkömmlichen Kernmaterialien verwendet. Sie weisen jedoch optische Oberflächenunregelmäßigkeiten auf, die das dynamische Aussehen des Fahrzeugaußenteils (bspw. Autodach) beeinträchtigen.

Ziel des Projektes war es daher, den Einfluss von Papier als nachhaltige Alternative der Deckschicht auf die

Oberflächenqualität des Mehrschichtverbunds zu untersuchen, um bisher auftretende Oberflächendefekte (Welligkeit) zu verringern. Dabei wurde ein iterativer Ansatz zwischen experimenteller Untersuchung & numerischer Simulation der Schichten & Ermittlung der notwendigen Schichtparameter für die gezielte Materialauswahl & -entwicklung gewählt. Das parallele Vorgehen beider Methoden führte zum schnellstmöglichen & effizientesten Erkenntnisgewinn, der zukünftig zur Materialoptimierung & Entwicklung des Herstellungsverfahrens eingesetzt werden kann.

Im Projekt konnte gezeigt werden, dass die Kernverdichtung (Kompression) während des Produktionsprozesses

(Heißpressen) ein wichtiger Parameter für die optische Oberflächenqualität darstellt. Ebenso konnte der Einfluss

unterschiedlicher Deckschichtmaterialien variierender Eigenschaften auf die Defektausbildung auf der Oberfläche ermittelt werden. Die in diesem Forschungsprojekt erzielten Ergebnisse zeigen, dass das Papier die optischen

Oberflächenunregelmäßigkeiten erfolgreich reduzieren kann. Jedoch verringert es bislang die Gesamtfestigkeit des

Mehrschichtverbunds. In Zukunft müssen weitere Forschungsarbeiten durchgeführt werden, um den Produktionsprozess & die Festigkeit der Sandwichbauteile (bspw. mit einer optimierten Klebstoffauswahl) zu optimieren.