Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Umformthermofügen von Metall & FKV mit isothermen Werkzeugen

Durch eine Kombination von Metallen und faserverstärkten Kunststoffen zu hybriden Bauteilen können die Vorteile der beiden Werkstoffgruppen und resultierende Synergieeffekte für den intelligenten Leichtbau genutzt werden. Die fertigungstechnische Machbarkeit wurde in der Forschung bereits bestätigt. Zur industriellen Anwendung solcher belastungsangepasster, hybrider Strukturen bedarf es Fertigungsprozesse mit geringen zusätzlichen Prozessaufwand und vertretbaren Prozesszeiten.

Um dies zu erreichen wird im Rahmen dieses Forschungsvorhabens ein einstufiges Umformfügeverfahren entwickelt, in dem mittels isothermer Werkzeuge Strukturbauteile in einem Schritt umgeformt und zusatzstofflos thermisch gefügt werden. Die Temperatur des Umformwerkzeuges bleibt über den gesamten Prozess hinweg konstant unter der Entnahmetemperatur des umzuformenden Bauteils. Die Entnahme des Bauteils kann somit unmittelbar nach dem Umformfügeprozess und dem Erstarren des Thermoplasts erfolgen. Eine aufwendige und vor allem träge variotherme Prozessführung oder das Aushärten von Klebstoffen entfällt. Die Einbringung der Wärmeenergie, die zum lokalen Aufschmelzen der Thermoplastoberfläche in der Fügezone benötigt wird, erfolgt durch eine vom Umformfügeprozess vollständig entkoppelte Erwärmung der Metallbleche im Ofen.

Während der Erwärmung des verzinkten Stahlblechs im Ofen findet zusätzlich eine Wärmebehandlung statt, mit Hilfe derer sich eine raue, haftfähige Galvannealed-Schicht erzeugen lässt, die die Verbundfestigkeit steigert und den ursprünglichen Korrosionsschutz weiterhin gewährleistet. Da sich die Zieltemperatur der Erwärmung und die Temperatur des Galvanealingprozesses überschneiden, lassen sich diese Verfahrensschritte kombinieren und es lässt sich eine kosten- und ressourceneffiziente Fertigung realisieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurde ein kombinierter Prozess zum gemeinsamen Umformen und wärmeunterstützten Pressfügen von hochfesten Stählen und endlosfaser-verstärkten thermoplastischen Kunststoffen entwickelt. Die thermische Energie, die benötigt wird, um den Fügeprozess zu gewährleisten, wird durch das Erwärmen des Stahls in einem Ofen vor der Übergabe an das Umformwerkzeug aufgebracht.

In den Fügeuntersuchungen ist es gelungen, Galvannealed-Schichten als Anbindungsoberflächen für faserverstärkte thermoplastische Kunststoffe zu qualifizieren. Bei der Auslegung des Fügeprozesses im Labormaßstab wurden optimale Fügetemperaturen von 280 °C ermittelt und Referenzproben für den späteren Prozess geschaffen. Die angestrebte Zugscherfestigkeit von 10-15 MPa, definiert durch den projektbegleitenden Ausschuss, wurde bei allen Oberflächenvorbehandlungen erzielt. Bei Prozesszeiten von ca. 30 s wurden maximale Zugscherfestigkeiten von bis zu 24 MPa erzielt.

Neben der Bewertung der erzielbaren Verbundfestigkeit wurde die kombinierte Umformung mit Niederhalter von Stählen und faserverstärkten Kunststoffen untersucht. Die Drapierung des Organoblechs wurde hierbei durch eine Aussparung in der Werkzeugmatrize ermöglicht. Durch die Wahl eines einseitigen Schmierkonzeptes konnten Reißer im Stahl vermieden werden.

Eine hohe Verbundqualität konnte auch am Ende der Umformung erzielt werden. In Kragarmbiegeversuchen konnte bei einer Steigerung der Biegefestigkeit von 35 % bei einer Gewichtszunahme von 10 % ein hohes Leichtbaupotenzial aufgezeigt werden.

Der entwickelte Prozess lässt sich industriell zur Herstellung hybrider Semi-Strukturbauteile umsetzten. Um das volle Potential ausschöpfen zu können, muss ein Bauteil unter Beachtung der im Projekt aufgezeigten Fertigungsrestriktionen belastungsgerecht für einen konkreten Anwendungsfall ausgelegt und konstruiert werden. Die entwickelte Prozesskette lässt sich auch auf anders vorbehandelte Stahlbleche übertragen.