Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Warmformprozess-integrierte Oberflächenstrukturierung für Hybridkomponenten

Pressgehärtete Stähle werden aufgrund ihrer Härte und Festigkeit vermehrt für Strukturbaueile z.B. in der Automobilindustrie eingesetzt. Eine Steigerung der Bauteilperformance kann im Verbund mit CFK erzielt werden. Hierfür müssen jedoch geeignete Verfahren entwickelt werden, damit der strukturelle Verbund der ungleichen Materialpaarung auch unter extremen Belastungen hält. Ein viel versprechender Ansatz ist die Erzeugung eines mechanischen Verklammerungseffektes, der zusätzlich zu adhäsiv wirkenden Mechanismen den Verbund stärkt. Die Strukturerzeugung bietet sich während der Warmumformung an, da bei hohen Temperaturen der metallische Werkstoff in einem duktileren Zustand vorliegt und so leicht strukturiert werden kann.

Motivation des beantragten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Verfahrens zur prozessintegrierten, makroskopischen Oberflächenstrukturierung in der Warmumformung, welches die Strukturintegrität von Hybridbauteilen durch eine mechanische Verklammerung an der Grenzfläche steigert.

Die Optimierung der Grenzflächengeometrie wird zunächst simulativ betrachtet und dann durch die Bestimmung mechanischer Kennwerte validiert. Die Integration des Verfahrens in den Warmformprozess wird zweistufig Prozess erfolgen. Zunächst werden Untersuchungen an einem ebenen Platinenwerkzeug durchgeführt, um diese Ergebnisse anschließend auf einen formgebenden Warmumformprozess zu übertragen. Zur Anbindung des FVKs werden drei Herstellungsvarianten (RTM, Prepreg-Pressen und Hybridpressen) betrachtet und miteinander verglichen.

Die intensiven Forschungsarbeiten der Institute in den Bereichen der Hybridbauteilfertigung sowie der Oberflächenstrukturierung und Warmumformung bieten die notwendigen technischen Kompetenzen, um ein derartiges Forschungsvorhaben umzusetzen.

Das Innovationspotential des Projektes ist hoch, es wird die in diesem Bereich tätigen KMU in die Lage versetzen, im Bereich des Leichtbaus konkurrenzfähig zu bleiben. Die Arbeitsplätze werden dadurch gesichert werden, es können auch neue Arbeitsplätze entstehen.

Ergebniszusammenfassung:

Hochbeanspruchte Strukturen im Bereich der Luftfahrt oder der Automobilindustrie werden in vielen Fällen in Endlosfaserverbundsystemen bzw. in neueren Ansätzen im hybriden Verbund aus Metall und FKV dargestellt, während im automobilen Massenmarkt weiterhin hochfeste Stähle dominieren. Eine gezielte Kombination beider Bauweisen führt zu beanspruchungsangepassten und kostengünstigen hybriden Leichtbaustrukturen. Im Lasteinleitungsbereich derartiger hybrider Bauteile treten häufig konzentrierte, dreidimensional wirksame Lastkollektive auf, die vorzugsweise von isotrop agierenden metallischen Komponenten aufgenommen werden. Kritisch ist der Übergangsbereich bzw. die Grenzfläche von der metallischen zur Faserverbundstruktur, in dem die Kräfte übertragen werden müssen. Neue Oberflächenvorbehandlungsverfahren können dabei durch die Erzeugung von gezielten Verklammerungseffekten einen Beitrag zur Steigerung der Bauteilperformance liefern.

In diesem Projekt wurde Verfahren entwickelt in den Warmumformprozess hochfester Stähle eine Oberflächenstrukturierung einzubringen, um anschließend eine verbesserte Anbindung von faserverstärkten Kunststoffen zu erreichen. Die Strukturierungen entstehen durch das entsprechende Warmumformwerkzeug, wodurch im Vergleich zu anderen Strukturierungsverfahren ein zusätzlicher Arbeitsschritt entfällt. Dazu wurde zunächst ein Werkzeug zur Strukturierung auf Probenkörperebene entwickelt, mit dem die Proben gleichzeitig strukturiert und gehärtet wurden. Anschließend werden die mechanischen Eigenschaften der hybriden Strukturen aus FKV und 22MnB5 ermittelt. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse wird die Methode schließlich auf eine automobile Karosseriekomponente angewendet und validiert.