Prozesstechnologie zur Herstellung von FVK-Metall-Hybriden

Der aktuell anhaltende Umschwung in der Automobilindustrie und die damit einhergehende allmähliche Abkehr vom Verbrennungsmotor hin zu elektrischen und hybriden Antriebskonzepten hat weitreichende Folgen für den modularen Aufbau der Fahrzeuge, die Karosserie und die strukturellen Komponenten. Zu Beginn dieser Wandelphase wurden zunächst nur der Antrieb und Antriebstrang in bestehenden Karosseriekonzepten getauscht. Mittlerweile werden gänzlich neue Karosseriekonzepte um den Antrieb des Automobils neu entwickelt.

Die zentrale Idee und Aufgabe des Verbundprojekts ProVor^Plus ist die Herstellung schalenförmiger faserverstärkten Thermoplast-Metall-Hybrid Bauteilen durch die Verwendung komplexer hybrider Vorformlinge, welche in einem Vorkonfektionierungsschritt mittels einer funktionsintegrierten Handhabungs- und Fügetechnik aus einfachen (vorkonsolidierten) FVK- und Metallhalbzeugen aufgebaut und anschließend in einem Bauteilherstellungsprozess durch ur- und umformende Verfahren zu einem hybriden Bauteil endkonsolidiert werden.

Das folgende Kapitel führt in die Thematik des materialhybriden Leichtbaus ein und umfasst die relevanten Grundlagen der behandelten Produktionstechnologien sowie zum Verständnis erforderliche, materialwissenschaftliche Methoden. Die beschriebene Literatur erstreckt sich von den bisher umgesetzten hybriden Bauteilen aus Metallen und faserverstärkten Kunststoffen, über die Fertigungsverfahren, die im Rahmen des Projekts ProVor^Plus untersucht wurden, bis hin zur Charakterisierung der in den Fertigungsprozessen verwendeten Halbzeuge.

In diesem Kapitel werden zunächst das Referenzbauteil – wie es zurzeit für das Serienfahrzeug Passat GTE produziert und im Fahrzeug verbaut wird – dargestellt sowie die Ziele und Anforderungen für ein hybrides Substitutionsbauteil definiert. Um das Leichtbaupotenzial der zur Verfügung stehenden Werkstoffkombination optimal ausschöpfen zu können, werden verschiedene Konstruktionskonzepte entworfen und bewertet. Im Anschluss werden die Optimierung und die Auskonstruktion des favorisierten Konzepts bis hin zum Prototypenstand sowie der Crashsimulation beschrieben.

Im folgenden Kapitel werden Prozessstrategien zur großserientauglichen Produktion hybrider Bauteile entwickelt und Prozesskonzepte vorgestellt, die sich zur Herstellung komplexer Bauteile einer Vorkonfektionierung bedienen und lokal vorliegende Materialeigenschaften zur Automation von Handhabungsprozessen ausnutzen.

Das Ziel dieses Kapitels ist die Beschreibung der Materialcharakterisierung, die für die Materialmodellierung des eingesetzten Organoblechs zur numerischen Abbildung der Umformung durchgeführt wurde. Für eine vollständige Beschreibung des Organoblechs wurden die mechanischen und thermischen Eigenschaften unter Berücksichtigung der prozessrelevanten Temperaturen experimentell ermittelt.

Für die umformtechnische Verarbeitung von Organoblechen ist eine Erwärmung der Halbzeuge oberhalb der Matrixschmelztemperatur nötig. Durch das Aufschmelzen der Matrix wird diese plastisch verformbar. Das in ihr eingebettete Gewebe wird nicht mehr gestützt und lässt sich unter textilspezifischen Restriktionen umformen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit faserverstärkter Thermoplaste muss bei der Erwärmung sichergestellt werden, dass zum einen das Halbzeug im gesamten Querschnitt vollständig aufgeschmolzen ist und zum anderen die Oberflächentemperatur die Zersetzungstemperatur nicht überschreitet. Im folgenden Kapitel wird daher das Erwärmungsverhalten der im Projekt verwendeten faserverstärkten Thermoplasthalbzeuge untersucht. Ziel ist die Bereitstellung von Prozessfenstern für die verarbeitungsgerechte Erwärmung der Halbzeuge in Abhängigkeit der Materialdicke und des verwendeten Erwärmungsprinzips.

Dieses Kapitel beschreibt einen Ansatz zur Entwicklung einer geschlossenen und vollständig automatisierten Prozesskette zur Herstellung geometrisch komplexer Bauteile aus Organoblech. Dabei werden besonders die Aspekte zur Großserienproduktion von Karosseriebauteilen im Realmaßstab und die daran gestellten Anforderungen thematisiert. Das Ziel ist es, eine robuste automatisierte Handhabung des erwärmten formlabilen Organoblechzuschnitts in Kombination mit einer aktiven Materialführung zur Steigerung der Formgebungsgrenzen zu entwickeln. Aufgrund der teilweise quadratmetergroßen Zuschnitte im Automobilbau ist eine vollständige Funktionsintegration in einen Universalgreifer aufgrund seiner Dimensionen und dem zu erwartenden Gewicht nicht zielführend. Aus diesem Grund wird im Folgenden die Materialführung unter Zuhilfenahme des Spannrahmenansatzes entkoppelt von der Handhabung betrachtet. Für die Handhabung wird ein Spezialgreifer entwickelt, der die thermischen Eigenschaften des Organoblechs in Form einer Heiztechnologie berücksichtigt. Im Prozess erfolgt die Entnahme des erwärmten Zuschnitts aus dem Ofen durch diesen Spezialgreifer. Der Spezialgreifer übergibt den Zuschnitt an das Spannrahmensystem. Im Spannrahmensystem wird der Zuschnitt auf den Stempel des Formwerkzeugs vordrapiert und anschließend unter Druck im Umformprozess rekonsolidiert.

Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung eines kombinierten einstufigen Prozesses aus komplexer Organoblechumformung und Glasmattenverstärkten-Thermoplaste (GMT)-Fließpressen, der mithilfe konventioneller Pressentechnik umgesetzt werden kann. Zunächst wird die Entwicklung der Umformstrategie zur Herstellung der Organoblechschale aus einem mit Polyamid 6 imprägnierten Glasfasergewebes für eine Batterieunterschale erläutert. Es werden die Ergebnisse von Umformexperimenten und eine Rückhaltestrategie zur Vermeidung lokaler Faltenbildung, eine Finite-Elemente-Methode(FEM)-Umformsimulation zur Analyse des Faltenverhaltens, Schereffekte und Temperaturverläufe für die Konsolidierung des Organoblechs vorgestellt. Im Anschluss wird die Erweiterung des Organoblechumformprozesses um einen lokal begrenzten Fließpressprozess erläutert. Die Untersuchung konzentrierte sich auf die Beschreibung eines Dichtkonzepts, die Wechselwirkung zwischen den beiden Werkstoffen und die Temperaturverteilung, die die Umformeffekte und die Verbindung der Werkstoffe untereinander weitestgehend beeinflusst. Für den kombinierten Prozess wurde ein Simulationsmodell in der FE-Software LS-Dyna entwickelt, das auf einer Fluidstrukturinteraktion beruht.

Die saubere Berandung der thermogeformten Organoblechstrukturen ist für die weitere Prozessführung im Spritzprozess wichtig, um ein sauberes Einlegen und Abdichten des Werkzeugs erzielen zu können. Zerspanungsuntersuchungen ergaben geeignete Prozessfenster zur Besäumung der geformten Wannen sowie dem Einbringen von Kabeldurchführungen etc.

Im Rahmen des Projekts wurden Untersuchungen zur Verbundhaftung zwischen thermoplastischen Organoblechen und kurzfaserverstärktem Spritzguss durchgeführt. Ziel der Untersuchungen war es, die Verbundfestigkeiten der Materialpaarung zu bestimmen sowie Prozessparameter und -einflüsse zu identifizieren und zu charakterisieren, um möglichst hohe Haftungen zu erzielen. Daher wurden Versuchsreihen mit den für das Projekt definierten Werkstoffen auf Probenbasis durchgeführt.

Im Forschungsprojekt ProVor^PLUS soll die Herstellung einer Batteriewanne aus einem Organoblech untersucht werden. Um ein Organoblech auf einer Spritzgießmaschine verarbeiten zu können, muss es in einem vorgelagerten Prozessschritt auf eine Umformtemperatur erwärmt werden. Anschließend kann das biegeschlaffe Organoblech in einer Spritzgussmaschine umgeformt und gegebenenfalls mit Spritzguss funktionalisiert werden. Bei komplizierten Geometrien kann es von Vorteil sein, den Umformschritt und den Funktionalisierschritt mit Spritzguss zu trennen. Somit kann Komplexität aus dem Werkzeug genommen werden und die Prozessführung sowie die Prozessautomatisierung können einfacher werden. Bei einem einstufigen Prozess wird das Organoblech in einem Ofen auf eine Umformtemperatur über dem Schmelzpunkt der Matrix erwärmt. Das erwärmte und biegeschlaffe Halbzeug wird in weiterer Folge in das Werkzeug transferiert, wo es mit der Schließbewegung des Werkzeugs umgeformt wird. Wird das Bauteil nach der Umformung zusätzlich mit Spritzguss funktionalisiert, so spricht man von einem einstufigen Prozess. Bei einem mehrstufigen Prozess werden der Umformschritt und die Funktionalisierung mittels Spritzguss voneinander getrennt. Somit wird bei einem mehrstufigen Prozess das Organoblech bei einer Temperatur unterhalb des Polymerschmelzpunkts angespritzt. Da die Halbzeugtemperatur einen sehr großen Einfluss auf die Verbundhaftung zwischen Organoblech und Spritzguss hat, sollen für beide Prozessrouten vergleichend mithilfe desselben Werkzeugaufbaus die optimalen Prozessparameter gefunden werden.

Das wärmegestützte Pressfügen dient der direkten Anbindung einer thermoplastischen Matrix an eine Stahloberfläche. Eine Laservorbehandlung wird zu Beginn mithilfe von Rauheitsmessungen und rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen charakterisiert. Die eingesetzte Vorbehandlungstechnik konnte in den durchgeführten Versuchen nachweisen, dass eine typische Kontamination mit Tiefzieh- und Korrosionsschutzölen von 3 g/m² sicher entfernt werden kann. Des Weiteren sind Untersuchungen zum Temperatureinsatzbereich von Pressfügeverbindungen vorgenommen worden, die handhabungsfeste Verbindungen (1–2 MPa) bis 200 °C nachgewiesen haben. Die zum Abschluss durchgeführten Alterungsuntersuchungen (Salzsprühnebeltest) zeigten, dass bei richtiger Parameterauswahl keine Beeinträchtigung durch die Alterung zu erkennen ist.

Der Konzeptentscheid basiert auf der Einhaltung der Bauteil- und Fertigungsanforderungen sowie der Betrachtung des Gesamtprozesses und der Wirtschaftlichkeit. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Vorabuntersuchungen hinsichtlich der zu verarbeitenden Materialien und Fertigungsverfahren wurde der Fertigungsprozess kontinuierlich weiterentwickelt. Eine wirtschaftliche Fertigung von hybriden Bauteilen mit Verbundmaterialien erfordert einen automatisierten Fertigungsprozess sowie eine hohe Funktionsintegration, um die Mehrkosten der Materialien auszugleichen.

Für die Bauteilherstellung müssen aus dem erarbeiteten Fertigungsprozess zum einen die Werkzeugkonzepte für die Umformung und den Spritzgießprozess abgeleitet und zum anderen die passenden Prozessparameter vordefiniert, erprobt und optimiert werden. Auch sind Werkzeugnachbearbeitungen am Umformwerkzeug nötig, da die genaue Geometrie erst durch die Prozesseinrichtungsversuche ermittelt werden können. In diesem Schritt sind ebenfalls auch die Automatisierungslösung, der Beschnitt und der Spritzgießvorgang zu erproben und für den Prozess zu optimieren.

Die gefertigten Bauteile müssen hinsichtlich der Qualität fertigungsbegleitend und nach dem gesamten Fertigungsprozess geprüft werden. Die Bauteilprüfung ist daher ein wesentlicher Bestandteil des Projekts, um die gefertigte Qualität der Bauteile kontrollieren und beurteilen zu können. Die Bauteilanforderungen wurden im Vorfeld klar aufgearbeitet und strukturiert zusammengetragen.

Im Rahmen des Projekts ProVor^Plus wurde sowohl eine Batterieunterschale in hybrider Bauweise als auch die zugehörige Prozesskette zur Herstellung dieses Bauteils entwickelt. Die zu Projektbeginn angestrebte Gewichtsreduzierung von 20 % konnte durch das hybride Bauteilkonzept gänzlich erreicht werden. Die tatsächlich erzielte Gewichtsersparnis liegt bei 22 % gegenüber dem im Aluminiumdruckgießverfahren hergestellten Serienbauteil bei vergleichbaren Kosten und Erfüllung der gesetzten Anforderungen.