Hybridprofile aus Metall und Faserverbundkunststoff gelten als vielversprechend für den automobilen Leichtbau. Derweil arbeiten Wissenschaftler an hochfesten Grenzschichten und an der wirtschaftlichen Fertigung.
Konzept einer Hybridrollformanlage, die an der Open Hybrid LabFactory in Wolfsburg steht
DLR
Hybride Werkstoffe sind die Materialklasse der Stunde im Karosseriebau. Immer mehr gilt es, die gesamte Bandbreite an Materialkombinationen innerhalb einzelner Komponenten auszuschöpfen, sofern es technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist – auch wenn Stahl oder Aluminium ihren festen Platz im Pkw behalten. „Erst mit dem Materialwissen von heute sehen wir uns so richtig in der Lage, auch die Kombinatoriken von Stahl, Kunststoff und Aluminium zu spielen – sowohl von den Herstellverfahren als auch von den Fügeprozessen her,“ fasst Thomas Wolff in seiner damaligen Funktion als Leiter des Leichtbau- und Technologiezentrums von BMW den Stand der Technik im Interview der ATZ 3/19 zusammen.
Das Spektrum an Hybridmaterialien reicht von Sandwichwerkstoffen, über glasfaserverstärktes Aluminium (Glare), bis hin zu Verbunden aus Metall und Faserkunststoffverbunden (FKV). Letztere sind von besonderem Interesse für den Automobilbau. Im Bereich von A- und B-Säulen, Dachquerträgern oder Crash-Elementen finden sie teilweise bereits den Weg in die Serie.
Grenzschichten als Herausforderung
Zu den größten Herausforderungen bei der Auslegung und Fertigung von Metall-FVK-Hybridbauteilen gehört dabei die Grenzschicht. Sie soll die Metall- und die FVK-Lagen dauerhaft hochfest verbinden, was durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und FVK erschwert wird, wie die Autorinnen und Autoren um Welf-Guntram Drossel im Kapitel Hybridprofile für Trag- und Crashstrukturen des Buchs Intrinsische Hybridverbunde für Leichtbautragstrukturen erläutert. Kommt kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) zum Einsatz, muss die Grenzschicht die Verbundpartner zudem vor Korrosion schützen. Um die Lagen innerhalb des Hybridmaterials stoff- und formschlüssig zu verbinden, werden die Metalloberflächen heute oftmals mit Korund gestrahlt oder zunehmend auch mittels Laser strukturiert.
Im gleichen Kapitel (S. 140) stellen die Autorinnen und Autoren um Marcus Böhme einen einstufigen Prozess für die Herstellung von Metall-FVK-Hybridprofile vor. In einem kombinierten Thermoform- und Blechumformprozesse werden Formschlusselemente auf der Metalloberfläche erstellt, die Organoblech- und Metallkomponenten stoffschlüssig verbunden und das finale Bauteil erzeugt. Bereits vor dem Fertigungsschritt wurde der metallische Einleger im Sol-Gel-Verfahren beschichtet.
Geringer Produktionszeit, hohe Werkzeugkosten
In einem anderen, ab S. 166 vorgestellten Prozess werden hybride Strukturkomponenten im RTM-Prozess hergestellt. Dabei werden Metallbleche zunächst vorgeformt sowie laserstrukturiert und anschließend zusammen mit FKV-Preforms im RTM-Verfahren mit Matrixmaterial durchtränkt und ausgehärtet.
Kurze Produktionszeiten gehen bei diesen genannten intrinsischen Fügeverfahren mit einem vergleichsweise komplexen und somit teuren Werkzeugdesign einher, wie Jürgen Fleischer, Sven Coutandin und Jonas Nieschlag im Kapitel Zusammenfassung und Ausblick erläutern. Im Sinne der Wirtschaftlichkeit bei Serien mit kleinen und mittleren Stückzahlen sollten deswegen modulare Produktionsanlagen mit geringen Rüst- und Umbauzeiten entwickelt werden, die sich flexibel auf unterschiedliche Bauteilvarianten anpassen lassen.
Rollformen von Blech und FKV
Die Autoren um Heiko Assing stellen im Buch Thermoplastische, rollgeformte Profile in Hybridbauweise 2 – TroPHy2 (LINK: 19240822) ein Verfahren vor, mit dem sich auch dreidimensional geformte Hybridprofile mit in Längsrichtung variierenden Dicken fertigen lassen. Dabei bedienen sie sich dem in der Blechbearbeitung etablierten Walzprofilieren (LINK 19158846), bei dem das Blech kontinuierlich durch eine Reihe konturierter Walzen geführt und geformt wird, und erweitern es um die gleichzeitige Verarbeitung von thermoplastischem CFK.
Im Kapitel Eingehende Darstellung der erzielten Ergebnisse stellen die Autoren die Anlage vor. In einem ersten Schritt werden die mit Haftvermittler beschichtete Metallprofile mittels IR-Strahlern auf die Fügetemperatur von circa 250 °C aufgeheizt. Parallel wird das thermoplastische CFK auf bis zu 300 °C aufgeheizt, anschließend im Rollformprozess vorgeformt und schließlich mittels Doppelbandpresse in das Metallprofil eingeformt.
Eigenspannungen und thermische Effekte in der Simulation
Die Hybridbauteile können nach der Abkühlung, wie in der Autokarosseriefertigung üblich, phosphatiert und mit kathodischer Tauchlackierung werden können. Zusätzlich haben die Wissenschaftler eine Prozesssimulationssoftware so erweitert, dass sie neben den Eigenspannungen im Blech auch thermische Effekte während der Umformung berücksichtigt und damit auch genauere Vorhersagen der Bauteilgeometrie nach der Umformung zulässt, wie die Autoren in der Zusammenfassung schreiben.
Ein auf der Rollformanlage gefertigter Querträger wiegt, je nach Ausführung, 32 bis 45 % weniger als das Referenzbauteil aus Stahlblech, allerdings liegen auch die Bauteilkosten drei bis fünf Mal so hoch. Damit eignet sich das Verfahren für kostentolerante Anwendungen mit hohen Leichtbauanforderungen, für Serienanwendungen sieht zumindest Volkswagen Nutzfahrzeuge, einer der Partner in dem Forschungsprojekt, bislang jedoch noch keine Perspektive.