Leichtbau am Auto

Hybride aus Faser-Thermoplast und Metall für die Serie

Auf die Realisierung in der Großserie zielt ein Verfahren, das metallische und thermoplastische Komponenten zu Leichtbaustrukturen verbinden soll. Basis sind spezielle thermoplastische Tapes.

Intrinsisch gefertigte Konturverbindung mit skalenübergreifendem Formschluss für einen hybriden Faser-Thermoplast-Verbund. (Bild: TUD / LK)

Wissenschaftler des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden entwickelten in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) einen Herstellungsprozess für hochbelastbare Profilverbindungen. Nach Institutsangaben ist der hocheffizient und automatisierbar. In dem neuentwickelten Verfahren sollen Hohlprofile aus Faser-Thermoplast-Verbund (FKV) mit metallischen Lasteinleitungselementen in einem Fertigungsschritt hergestellt und gefügt werden.

In einem am ILK entwickelten Tape-Flechtverfahren werden vorkonsolidierte Faser-Thermoplast-Halbzeuge (Tapes), zu geflochtenen Tape-Preforms verarbeitet. Die werden anschließend in einem intrinsischen Schlauchblas-Integral-Verfahren konsolidiert und mit einem konturierten metallischen Lasteinleitungselement gefügt.

Durch Verwendung vorkonsolidierter Tape-Halbzeuge mit thermoplastischer Matrix entfällt der aufwendige Schritt der Faserimprägnierung im Herstellungsprozess, wodurch die Prozesszeit gegenüber dem konventionellen Schlauchblasverfahren mit unkonsolidierten Halbzeugen signifikant reduziert werden könne. Zudem ermögliche die Verarbeitung von Tape-Preforms Steigerungen der mechanischen Kennwerte, eine verbesserte Faserausrichtung sowie eine deutliche Reduzierung der Faserschädigung im Herstellungsprozess.

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Metallische Komponente des Verbunds im Schnitt. (Bild: Fraunhofer IWU)

Im Unterschied zu gängigen Fügeverfahren wie Kleben oder Nieten bieten Profil- und Konturverbindungen dank ihren werkstoff- und fertigungsgerechten Aufbau eine vielversprechende Alternative für neuartige Hochleistungs-Leichtbaustrukturen in Faserverbund-Metall-Mischbauweise, erklären die Forscher. Die stoff- und formschlüssig wirkenden Verbindungssysteme gestatten die Einleitung hoher Lasten in stab- und rohrförmige Faserverbundstrukturen, wie Zug-Druckstreben oder Antriebswellen. Die notwendige Verbindungsfestigkeit zwischen FKV und der Metallkomponente wird dabei mit einem auf die Geflechtarchitektur abgestimmten Design einer skalenübergreifenden Strukturierung ermöglicht.

Die Herstellung der mehrskalig strukturierten Aluminium-Lasteinleitungselemente arbeitet mit einem laut Entwickler serienfähigen und zum Patent angemeldeten zweiphasigen Hochdruck-Umformverfahren. Im ersten Umformschritt wird eine Mikro- und Mesostrukturierung auf die Innenseite des Lasteinleitungselements geprägt, bevor im zweiten Umformschritt die Makrokontur entsteht.

Die Herstellung des Hybridverbundes geschieht in einem modularen Formwerkzeug, in das das Lasteinleitungselement als Formwerkzeug integriert wird. Ein kombiniertes Verfahren aus Induktion und Infrarot erwärmt Preform und Werkzeug, mit dem Zykluszeiten unter 90 Sekunden erreicht werden.

Maßgebend für die Entwicklung von Profil- und Konturverbindung ist ein umfassendes Werkstoff-, und Strukturverständnis zur Bewertung und Optimierung der vorherrschenden Spannungszustände in der Verbindungszone. Im Schwerpunktprogramm „Intrinsische Hybridverbunde – Grundlagen der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft erarbeiteten die ILK-Wissenschaftler die notwendigen Grundlagen und Auslegungsmodelle. Daraus leiten sie Gestaltungsrichtlinien ab, die eine schnelle und kostengünstige Auslegung für künftige industrielle Anwendungen, beispielsweise in der Luftfahrt, möglich machen sollen.

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