Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Konstruktions- und Prozessgestaltung halbschalig geschweißter Hochleistungsbauteile aus Organoblechen

Organobleche gehören zu den endlosfaserverstärkten thermoplastischen Halbzeugen. Ihre Nutzung hat in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen. Gründe sind u.a. die hohe spezifische Festigkeit aber auch die einfache Verarbeitbarkeit. Unter Verwendung des Thermoformprozesses werden Organobleche heute oftmals zu halbschaligen Bauteilen verarbeitet. Diese Bauteile bieten jedoch nur begrenzte Steifigkeiten. Eine Steifigkeitserhöhung wird derzeitig durch die Um- bzw. Durchspritzung mit verstärkenden Elementen erzielt. Alternativen zur Steifigkeitserhöhung sind das Twin-O-Sheet Verfahren und das Kleben sowie Schweißen von Halbschalen. Diese Verfahren werden zur Erzeugung von Hohlkörperstrukturen aus Organoblechen eingesetzt. Durch ungünstige Faserorientierungen der Fügeebenen in Hutprofilform (Twin-O-Sheet, Schweißen), die notwendige Kraftübertragung durch die zusätzliche, festigkeitsbestimmende Kleberschicht oder bauteilgewichtserhöhende Umspritzungen der thermogeformten Organobleche kann jedoch nicht das volle Werkstoffpotenzial genutzt werden. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen Fügetechniken entwickelt und erforscht werden, die das Fügen komplexer Hohlkörperbauteile aus Organoblechen, mit optimaler Ausnutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg, ermöglichen. Dieses Ziel soll durch die Erzeugung von Überlappverbindungen mittels des Infrarot- oder Warmgasschweißverfahrens erreicht werden. Hierzu werden ausführliche Untersuchungen an Plattenprobekörpern durchgeführt, welche u.a. die Einflüsse der Faserverstärkungsart (z.B. Gewebe und Gelege, Faserarten, Faserorientierungen), des Laminataufbaus und der Fügenahtgeometrie auf die Strahler- bzw. Warmgas-Werkstoff-Wechselwirkungen und Schweißnahteigenschaften beschreiben sollen. Zudem werden thermogeformte Organobleche überlappend geschweißt und Bauteilprüfungen unterzogen, die einen Vergleich zum Erlanger Träger und die Bewertung der Nutzbarkeit für weitere industrielle Anwendungen in KMU ermöglichen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden überlappende IR-Schweißverbindungen in Organblechen erzeugt, die Festigkeiten auf dem Niveau der ungeschweißten Organobleche aufwiesen. Zudem wurden zwei neue Verfahrensvarianten auf Basis der IR-Schweißtechnologie entwickelt, die das überlappende Fügen von Organoblechhalbschalen zur Herstellung von Hohlkörpern ermöglichen. Die Fügedruckaufbringung kann in diesem Fall mittels der elastischen Vorspannung der Halbschalenschenkel oder der Innendruckaufbringung mittels Silikonballon erfolgen. Die resultierenden, im Dreipunktbiegeversuch und Torsionsversuch ermittelten, Bauteileigenschaften weisen insbesondere hinsichtlich der Torsionsbelastbarkeit deutliche Vorteile gegenüber üblichen halbschaligen Bauteilen mit Rippenverstärkung aus Organoblechen auf.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens können genutzt werden, um künftig das überlappende IR-Schweißen von Organoblechen zur Herstellung von Hohlkörpern einzusetzen. Hierbei können die Fasern über die Fügeebene hinweg genutzt werden. Die wichtigsten technischen Einflüsse auf die resultierenden Schweißnahteigenschaften, wie Erwärmzeit oder Fügedruck, sind in dem Bericht dargestellt. Des Weiteren können dem Bericht die technischen Besonderheiten, Anforderungen und Einflüsse beim IR-Schweißen von Halbschalen zur Herstellung von Organoblechhohlkörpern entnommen werden.

Die Erkenntnisse aus dem Forschungsvorhaben können bei der kostenseitigen Optimierung (z. B. Verringerung der Wanddicke) bestehender Bauteile genutzt werden oder bei der Neuentwicklung von Organoblechbauteilen. Neue Anwendungen können somit entwickelt und neue Märkte forciert werden, die erst durch die effizientere Organoblechnutzung in der Fügeebene wirtschaftlich interessant und technisch realisierbar werden.