Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Auswirkungen von thermisch bedingten Eigenspannungen auf die Verbindungsfestigkeit von pressgefügten Hybridstrukturen

Die Kombination von faserverstärkten Kunststoffen und Metallen zu hybriden Bauteilen ermöglicht die Nutzung der Vorteile beider Werkstoffgruppen und die damit verbundenen, resultierenden Synergieeffekte für den großserienfähigen Leichtbau. Die prozesstechnische Machbarkeit wurde in der Forschung bereits bestätigt.

Zur industriellen Implementierung dieser pressgefügten, lastpfadoptimierten Hybridstrukturen bedarf es dem Verständnis zu den Auswirkungen der thermisch bedingten Eigenspannungen auf die Verbindungsfestigkeit und das Verformungsverhalten während des Produktionsprozesses als auch des gesamten Bauteillebens. Auf Basis dieses Verständnisses lassen sich das Schadensverhalten und die Beanspruchbarkeit im Betrieb voraussagen und ein Maßnahmenkatalog zur Gestaltung und Auslegung solcher Hybridbauteile ableiten.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird daher aufbauend auf der Entwicklung einer Messmethode der Einfluss der Material-, Geometrie- und Prozessparameter auf die Verformungen und die Eigenspannungen für pressgefügte Hybridstrukturen untersucht. Neben den Veränderungen der Eigenspannungen durch nachfolgende Einwirkungen, beispielsweise durch die kathodische Tauchlackierung oder auftretende Betriebslasten, werden gezielte Maßnahmen zur Eigenspannungsreduzierung betrachtet. Aufbauend auf den Erkenntnissen dieses Forschungsvorhabens kann somit eine Simulation und Auslegung hybrider Bauteile erfolgen und der Prozess an eine anschließende, verzugsfreie Montage in ein Automobil gewährleistet werden. Insbesondere Unternehmen für die Bereiche Auslegung und Prozesse automobiler Leichtbaustrukturen, aber auch viele Entwickler von Werkzeug- und Anlagentechnik, sind in Deutschland den kleinen und mittleren Unternehmen zuzuordnen, die damit einen direkten Nutzen aus den Forschungsergebnissen dieses Vorhabens ziehen und den wirtschaftlichen Erfolg und Transfer sicherstellen.

Ergebniszusammenfassung:

Die durchgeführten Messungen einer in-situ Dehnungsmessung während der Herstellung eines Hybridbauteils lassen erkennen, dass die gewählte Messmethodik mit faseroptischen Sensoren grundsätzlich geeignet ist, um Dehnungen in der Grenzfläche zu erfassen. Aufgrund des direkten Zusammenhang zwischen Dehnung und Spannung kann durch die Dehnungsmessergebnisse auf den jeweiligen Spannungszustand geschlossen werden, indem das Hook‘sche Gesetz um das lineare Elastizitätsgesetz erweitert wird. Aus dieser theoretischen Betrachtung kann gezeigt werden, dass höhere Dehnungen in höheren Spannungen resultieren sollten. Folglich können die ermittelten Dehnungen als Interpretationsgrundlage für die Ausbildung der Spannungen in der Grenzfläche angesehen werden.

Anhand der Messungen konnte gezeigt werden, dass sich die Restdehnungen durch gezielte Variation von Prozess- und Geometrieparametern beeinflussen lassen. So zeigte die Veränderung der Bauteilsteifigkeit bei der Metallkomponente, dass sich die Verformungen auf diese Weise reduzieren lassen. Darüber hinaus wirkt sich eine Steigerung der Anbindungsfestigkeit ebenfalls positiv auf die nach dem Herstellungsprozess vorliegenden Restdehnungen aus. Die ermittelten Messwerte bieten hierbei großes Potenzial für zukünftige Untersuchungen mit Blick auf verschiedene Oberflächenmodifikationen. Der Prozesseinfluss wurde anhand von Variationen der Abkühlraten diskutiert, die gezeigt haben, dass eine Beschleunigung der Abkühlrate bei den betrachteten Proben zu einer Erhöhung der verbleibenden Dehnungen führte. Eine Reduzierung der Abkühlrate konnte hingegen lediglich bei einer der der vier Materialkombinationen zu einer Reduzierung beitragen. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass zukünftige Forschungsansätze mit Hilfe von FOS und den damit möglichen in-situ Messungen zu einem besseren Verständnis der inneren Dehnungen bzw. Spannungen von Hybridbauteilen beitragen können.