Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Konstruktive Gestaltung geklebter FVK-Mischverbindungen unter Berücksichtigung von Randeffekten

Trotz intensiver Bestrebungen, faserverstärkte Kunststoffe endkonturnah herzustellen, ist häufig eine Nachbearbeitung notwendig. Eine trennende Bearbeitung durch Schneid- oder Strahlverfahren führt dabei häufig zu Schädigungen in Form von Abplatzungen, Ausfransungen, Delaminationen, Faserausrissen und sonstigen Formfehlern. Eine Berücksichtigung des geschädigten Randbereiches erfolgt bei der Auslegung und der konstruktiven Gestaltung geklebter FVK-Mischverbindung bisher nur intuitiv, nicht aber auf Basis wissenschaftlich abgesicherter Untersuchungen, sodass das Verbindungspotential geklebter FVK-Mischverbindungen in vielen Fällen durch eine nicht optimale Verbindungsgestaltung limitiert wird.

Ziel des Projektes ist die Ermittlung des Randeinflusses beim Kleben von FVK-Mischverbindungen in Abhängigkeit der Schnittkantenqualität sowie die Verbesserung der Krafteinleitung bzw. der Reduktion von interlaminaren Spannungen durch Wahl einer geeigneten Probengeometrie, Fugenfüllung sowie eines optimalen Fertigungsprozesses. Auf Basis der erarbeiteten Ergebnisse werden Gestaltungsrichtlinien und Normvorlagen zur konstruktiven Gestaltung von FVK-Mischverbindungen unter Berücksichtigung von Randeffekten erarbeitet.

Nach erfolgter Umsetzung der angestrebten Forschungsergebnisse sind KMU, insbesondere aus den Bereichen des Automobil-, des Nutzfahrzeug und Schienenfahrzeugbaus, bei der Auslegung neuer geklebter FVK-Strukturen in der Lage, Randeffekte bereits in einem frühen Stadium des Produktentwicklungsprozesses zu berücksichtigen und den Trennprozess auf den späteren Fügevorgang abzustimmen. Des Weiteren kann durch die erarbeiteten Gestaltungsrichtlinien ein Versagen im FVK vermieden werden, sodass die Leistungsfähigkeit der Verbindung gesteigert wird und der Materialeinsatz reduziert werden kann.

Der Transfer der Ergebnisse in die Wirtschaft erfolgt durch Teilnahme der Unternehmen an den PbA-Sitzungen, Präsentation der Forschungsergebnisse auf Fachtagungen und Messen sowie Veröffentlichungen in nationalen und internationalen Zeitschriften.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse zum Kleben endlosfaserverstärkter Kunststoff-Stahl Mischverbindungen sind in einer KMU relevanten Handlungsempfehlung zusammengefasst. Diese Handlungsempfehlung ermöglicht kleinen und mittelständischen Unternehmen aus den Bereichen des Automobil-, des Nutzfahrzeug- und Schienenfahrzeugbaus, eine optimale konstruktive Gestaltung der geklebten Verbindung unter Berücksichtigung der Schnittkantenqualität zu realisieren. Gerade kleine und mittelständische Unternehmen sind nicht in der Lage, in komplexe und kostenintensive Technologien wie eine Wasser- oder Laserstrahlanlage zu investieren, sodass häufig auf spanende Verfahren, die bereits im Betrieb eingesetzten werden, zurückgegriffen werden muss. Diese Verfahren sind gegenüber dem Wasserstrahl- oder Laserstrahlschneiden durch eine größere Schädigung der Schnittkanten gekennzeichnet. Die Nachteile der kostengünstigen Trennverfahren auf die spätere Verarbeitung und die Bauteillebensdauer können jedoch durch eine geeignete konstruktive Gestaltung der Verbindung kompensiert werden. Für KMUs bedeutet dies die Möglichkeit, anhand der entwickelten Methode zur Klassifizierung der fertigungsbedingten Schädigung, die Verbindung so zu optimieren, dass der Randeffekt weitestgehend minimiert ist.

Die erarbeitete Empfehlung basierend auf anwendungsrelevanten Untersuchungen ermöglicht den KMU, auf die Durchführung aufwändiger und kostenintensiver Versuchsreihen zu verzichten und eine sichere Auslegung geklebter FVK-Mischverbindungen zu gewährleisten. Bei der Entwicklung zukünftiger Produkte können durch die optimierte konstruktive Gestaltung der Verbindungen Sicherheitsfaktoren reduziert, Entwicklungszeiten und –kosten gesenkt und die Auslegung der FVK optimal auf die im Bauteil wirkenden Lasten angepasst werden, sodass die Wettbewerbsfähigkeit der nationalen Industrie, insbesondere in den Bereichen des Fahrzeug- und Maschinenbaus, signifikant erhöht werden kann.