Dresdner Leichtbauer entwickeln hybride Verbindungen aus Faser-Thermoplast und Metall für die Großserie

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 hocheffizienten, automatisierbaren Herstellungsprozess für hochbelastbare Profilverbindungen. In dem neuentwickelten Verfahrensansatz können Hohlprofile aus Faser-Thermoplast-Verbund (FKV) mit metallischen Lasteinleitungselementen in einem einzigen Fertigungsschritt hergestellt und gefügt werden.

Im eigens am ILK entwickelten Tape-Flechtverfahren werden vorkonsolidierte Faser-Thermoplast-Halbzeuge, so genannte Tapes, zu geflochtenen Tape-Preforms verarbeitet. Anschließend werden diese Preforms in einem intrinsischen Schlauchblas-Integral-Verfahre n konsolidiert und mit einem konturierten metallischen Lasteinleitungselement gefügt.

Reduzierung der Prozessschritte und Zykluszeiten

Durch die 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 kann. Zudem ermöglicht die Verarbeitung von Tape-Preforms eine Steigerung der mechanischen Eigenschaften, eine verbesserte Faserausrichtung sowie eine wesentliche Reduzierung der Faserschädigung im Herstellungsprozess.

Im Unterschied zu gängigen Fügeverfahren wie etwa Kleben oder Nieten bieten Profil- und Konturverbindungen durch ihren werkstoff- und fertigungsgerechten Aufbau eine vielversprechende Alternative für neuartige Hochleistungs-Leichtbaustruktu ren in Faserverbund-Metall-Mischbauwe ise. Die stoff- und formschlüssig wirkenden Verbindungssysteme gestatten die Einleitung höchster Lasten in stab- und rohrförmige Faserverbundstrukturen, wie beispielsweise 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-Lasteinleitungseleme nte erfolgt in einem serienfähigen und zum Patent angemeldeten zweiphasigen Hochdruck-Umformverfahren. In einem ersten Umformschritt wird zunächst eine Mikro- und Mesostrukturierung auf die Innenseite des Lasteinleitungselements geprägt, bevor in einem zweiten Umformschritt die Herstellung der Makrokontur erfolgt.

Die Herstellung des Hybridverbundes erfolgt in einem modularen Formwerkzeug, in das das Lasteinleitungselement als Formwerkzeug integriert wird. Für die Erwärmung von Preform und Werkzeug kommt ein kombiniertes Erwärmungsverfahren aus Induktion und Infrarot zur Anwendung, mit dem Zykluszeiten unter 90 Sekunden erreicht werden.

Schwerpunktprogramm 1712 „Intrinsische Hybridverbunde

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 1712 „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 kosteneffiziente Auslegung für zukünftige industrielle Anwendungen, beispielsweise in der Luftfahrt, möglich machen.

Weitere Informationen: www.tu-dresden.de/mw/ilk

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