Bauweisenkonzepte und Auslegung von Krafteinleitungsbereichen bei Hybridstrukturen aus Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden im Fahrzeugbau

  • Als Teil des DFG/AiF-Clusters „Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff / Metall-Verbunden“ erfolgte im AiF-Projekt 17688 BR/1 die methodische Entwicklung von großserientauglichen Bauweisenkonzepten für Hybridstrukturen aus thermoplastbasierten Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden (FK/M-Verbunden) im Fahrzeugbau sowie die Erarbeitung von belastungsgerechten Krafteinlei-tungsbereichen zur Integration der neuartigen Bauteile in metallische Strukturen. Die Pro-jektergebnisse wurden in Form von drei generischen Technologiedemonstratoren am Beispiel von hybriden Pkw-Dachquerträgern veranschaulicht. Dabei wurden zwei Demonstratoren aus FK/M-Verbunden mit Stahl- (HC220Y+ZE, t = 0,25 mm) bzw. Aluminiumdeckschichten (EN AW 5182, t = 0,2 mm) und ein Faser-Kunststoff-Verbund-Dachquerträger (Kohlenstofffaserverstärktes Polyamid 6) mit metallischen Lasteinleitungselementen (HC260LAD+Z100 bzw. AA5754-W, t = 1,0 mm) konzipiert. Im Vergleich zu einer Referenzgeometrie in Stahlbauweise (t = 1,0 mm)Als Teil des DFG/AiF-Clusters „Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff / Metall-Verbunden“ erfolgte im AiF-Projekt 17688 BR/1 die methodische Entwicklung von großserientauglichen Bauweisenkonzepten für Hybridstrukturen aus thermoplastbasierten Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden (FK/M-Verbunden) im Fahrzeugbau sowie die Erarbeitung von belastungsgerechten Krafteinlei-tungsbereichen zur Integration der neuartigen Bauteile in metallische Strukturen. Die Pro-jektergebnisse wurden in Form von drei generischen Technologiedemonstratoren am Beispiel von hybriden Pkw-Dachquerträgern veranschaulicht. Dabei wurden zwei Demonstratoren aus FK/M-Verbunden mit Stahl- (HC220Y+ZE, t = 0,25 mm) bzw. Aluminiumdeckschichten (EN AW 5182, t = 0,2 mm) und ein Faser-Kunststoff-Verbund-Dachquerträger (Kohlenstofffaserverstärktes Polyamid 6) mit metallischen Lasteinleitungselementen (HC260LAD+Z100 bzw. AA5754-W, t = 1,0 mm) konzipiert. Im Vergleich zu einer Referenzgeometrie in Stahlbauweise (t = 1,0 mm) konnte bei ver-gleichbaren Steifigkeitseigenschaften eine Masseeinsparung von bis zu 55% mit FK/M-Verbunden und etwa 64% in Faser-Kunststoff-Verbundbauweise prognostiziert werden. Die simulativ ermittelten Ergebnisse werden in Teilprojekt 5 des Clusters experimentell validiert. Im Hinblick auf eine werkstoffgerechte Anbindung der stark anisotropen Bauteile an metallische Grundstrukturen wurden Untersuchungen zum Thermomechanischen Ausformfügeverfahren (TAF) und dem Kleben mittels 2K-Epoxid- und 2K-Polyurethanklebstoffen durchgeführt. Anders als bei etablierten Verfahren aus dem Metallbau, wie dem Nieten, Clinchen oder Schrauben, die auf spanend gebohrten Durchgangslöchern im Faser-Kunststoff-Verbund oder Fügeelementen mit Schneidanteil basieren, findet bei den untersuchten Verfahren keine Schädigung der Faserstruktur statt. Die Ergebnisse aus Kopf- und Scherzugversuchen nach DIN EN ISO 14272 und DIN EN ISO 14273 zeigen eine prinzipielle Eignung des TAF-Verfahrens, sowohl für die Verbindung von FK/M-Hybridlaminaten, als auch FKV mit Metall. In Zugscherprüfungen nach DIN EN 1465 wurde der Einfluss verschiedener Vorbehandlungsmaßnahmen auf die Haftfestigkeit der geklebten Zugscherproben ermittelt. Dabei erwies sich insbesondere die Kombination aus Korundstrahlen und Beflammen mittels Flammenpyrolyse als zielführend. Nach Ermittlung der benötigten Kennwerte wurde eine Simulations- und Auslegungsstrategie für kraftflussgerechte Fügepunkte am Beispiel von thermomechanisch gefügten Verbindungen vorgestellt. Aufgrund der anisotropiespezifischen, inhomogenen dreidimensionalen Spannungszustände in der Umgebung von FKV-Fügezonen wird eine schnittreaktionsbezogene Methodik zur Auslegung von FK/M-Fügezonen empfohlen. In Verbindung mit einer entsprechenden Versagenshypothese erlaubt diese auf Basis von einfachen Fügepunkt-Ersatzmodellen eine einfache ingenieurmäßige Analyse des Fügepunktversagens durch Auslesen der Schnittreaktionen. Des Weiteren wurden in Zusammenarbeit mit TP5 zwei Prozessvarianten zur fertigungs-technischen Umsetzung der hybriden Dachquerträger aufgestellt. In ersten Vorversuchen konnte daran bereits die Herstellung erster Demonstratoren erfolgreich durchgeführt wer-den, die im Rahmen des 35. EFB-Kolloquiums am 25.03.2015 in Bad Boll sowie im EFB-Arbeitskreis Hybride Strukturen am 21.01.2015 in Dresden und 17.06.2015 in Rostock vorgestellt wurden. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Das IGF-Vorhaben „Bauweisenkonzepte und Auslegung von Krafteinleitungsbereichen bei Hybridstrukturen aus Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden im Fahrzeugbau“ wurde im Rahmen des AiF/DFG-Clusters „Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden“ unter der Fördernummer AiF 17688BR/1 von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 417 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.show moreshow less

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Metadaten
Author: Lothar Kroll, Wolfgang Nendel, Holger SeidlitzORCiD, Colin Gerstenberger, Tomasz Osiecki
ISBN:978-3-86776-463-6
Publisher:Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V.
Place of publication:Hannover
Document Type:Report
Language:German
Year of publication:2015
Number of pages:170, XIV
Series ; volume number:EFB-Forschungsbericht ; 417
Faculty/Chair:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Polymerbasierter Leichtbau
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