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2021 | Buch

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Intrinsische Hybridverbunde für Leichtbautragstrukturen

Grundlagen der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung

herausgegeben von: Prof. Dr. Jürgen Fleischer

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Der Einsatz von Leichtbautragstrukturen bietet heutzutage die Möglichkeit eine signifikante Gewichtsreduzierung zu realisieren. Bei der Gestaltung dieser Leichtbautragstrukturen müssen, je nach Anwendungsfall, eine Vielzahl von Anforderungen berücksichtigt werden. Die komplette Substitution eines Werkstoffes ist für die konsequente Nutzung des Leichtbaupotentials nicht immer zielführend. Eine optimale Gesamtstruktur besteht aus einer hybriden Werkstoffkombination, dem sogenannten Multi-Material-Design. Der Ansatz der Hybridisierung von Strukturkomponenten rückt somit immer stärker in den Vordergrund und kann grundsätzlich nach zwei unterschiedlichen Methoden erfolgen. Zum einen können zwei Bauteile aus Faserverbundkunststoff und Metall durch nachgeschaltete Fügeprozesse, wie beispielsweise Nieten, Schrauben oder Kleben, gefügt werden. Nachteil dieses Ansatzes ist neben dem Aufwand für den Fügeprozess die zusätzliche Masse, durch die das Leichtbaupotential nicht vollkommen ausgeschöpft werden kann. Zum anderen besteht die Möglichkeit der Herstellung des Hybridverbunds in einem einstufigen Prozess, wobei die Verbindung der verschiedenen Materialien im Ur- oder Umformprozess ohne einen nachfolgenden Fügeschritt erfolgt. Das entstehende Bauteil dieses einstufigen Prozesses wird als intrinsisches Hybrid bezeichnet. Aufgrund der intrinsischen Hybridisierung entstehen neue Gestaltungsmöglichkeiten und produktionstechnische Vorteile, aber auch Herausforderungen in Bezug auf die Prüfung, Simulation und Herstellung. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1712 der Deutschen Forschungsgemeinschaft wurde hierzu auf den Fachgebieten Produktionstechnik, Mechanik und Werkstoffwissenschaften intensiv Forschungsarbeit geleistet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung in intrinsische Hybridverbunde

Zusammenfassung

Der Einsatz von Leichtbautragstrukturen bietet heutzutage die Möglichkeit eine signifikante Gewichtsreduzierung zu realisieren. Die optimale Gesamtstruktur besteht dabei aus einer hybriden Werkstoffkombination, dem sogenannten Multi-Material-Design. Der Ansatz der Hybridisierung von Strukturkomponenten rückt somit immer stärker in den Vordergrund und kann grundsätzlich nach zwei unterschiedlichen Methoden erfolgen. Zum einen können zwei Bauteile aus FVK und Metall durch nachgeschaltete Fügeprozesse, wie beispielsweise Nieten, Schrauben oder Kleben, gefügt werden. Nachteil dieses Ansatzes ist neben dem Aufwand für den Fügeprozess die zusätzliche Masse, durch die das Leichtbaupotential nicht vollkommen ausgeschöpft werden kann. Zum anderen besteht die Möglichkeit der Herstellung des Hybridverbunds in einem einstufigen Prozess, wobei die Verbindung der verschiedenen Materialien im Ur- oder Umformprozess ohne einen nachfolgenden Fügeschritt erfolgt. Das entstehende Bauteil wird als intrinsisches Hybrid bezeichnet. In diesem Kapitel wird auf die neuen Gestaltungsmöglichkeiten, aber auch auf die entstehenden Herausforderungen bei der Prüfung, Simulation und Herstellung von intrinsischen Hybridverbunden eingegangen.

Jürgen Fleischer, Sven Coutandin, Jonas Nieschlag

2. Schalenförmige Hybridverbunde und Inserts

Zusammenfassung

Schalenförmige Bauteile zeichnen sich durch ein sehr großes Verhältnis von Breite oder Länge zur Wanddicke aus. Durch die geringe Wandstärke kommt der Einleitung von Lasten in derartige Strukturen eine besondere Bedeutung zu. Hierfür werden häufig spezielle Lasteinleitungselemente (Inserts) in die Struktur eingebracht, die als Anbindungspunkte dienen. Die Kombination von metallischem Lasteinleitungselement und CFK-Struktur wird anhand drei verschiedener Teilprojekte untersucht. Im Projekt „Multilayer-Inserts – Intrinsische Hybridverbunde zur Krafteinleitung in dünnwandige Hochleistungs-CFK-Strukturen“ wurde ein Lasteinleitungselement für automatisiert gefertigte Faserverbundstrukturen entwickelt. Das Projekt „Grundlagenuntersuchungen intrinsisch gefertigter FVK/Metall-Verbunde – vom eingebetteten Insert zur lasttragenden Hybridstruktur“ untersucht die faserschonende, intrinsische Herstellung von FVK/Metall-Verbunden im RTM-Prozess anhand verschiedener Hybridisierungsansätze. Im Projekt „Einfluss, Detektion und Vorhersage von Defekten in großserientauglichen Hybridverbunden für Metall/CFK-Leichtbautragstrukturen“ wurde ein neuartiges Anbindungskonzept für Metall-CFK-Hybridstrukturen mit thermoplastischer Zwischenkomponente entwickelt. Im Rahmen dieses Kapitels werden die Ergebnisse der Teilprojekte detailliert vorgestellt und erörtert.

Frank Henning, Alexander Bernath, Lucas Bretz, Berend Denkena, Jürgen Fleischer, Lukas Groß, Fabian Günther, Benjamin Häfner, Hans-Georg Herrmann, Alexander Herwig, Peter Horst, Hendrik Jost, Vanessa Kretzschmar, Gisela Lanza, Dieter Meiners, Markus Muth, Markus Pohl, Sven Roth, Carsten Schmidt, Michael Schwarz, Jonathan Serna Gonzalez, Julian Seuffert, Markus Stommel, Jannik Summa, Kay Weidenmann, Jannik Weykenat

3. Hybridprofile für Trag- und Crashstrukturen

Zusammenfassung

In der Automobilindustrie ist die Anwendung von monolithischen Profilstrukturen etabliert. Jedoch bietet der Einsatz von Hybridprofilen, die aus einem faserverstärkten Polymer (FVK) und einer duktilen Metalllegierung bestehen, eine im Vergleich vorteilhafte Kombination aus mechanischen Eigenschaften und resultierendem Bauteilgewicht. Um eine effiziente Fertigung und damit den industriellen Einsatz von Metall-FVK-Hybridprofilen anzustreben, werden in diesem Kapitel zwei intrinsische Fertigungsprozesse vorgestellt. Dabei ermöglichen die Prozesse einerseits die Verarbeitung einer thermoplastischen und andererseits einer duroplastischen Kunststoffmatrix. Neben der Entwicklung und Validierung dieser Produktionsprozesse werden, mit dem Ziel einen bestmöglichen Korrosionsschutz bei einer zugleich hohen Haftfestigkeit zu realisieren, Konzepte zur Gestaltung der Grenzschicht der artverschiedenen Werkstoffe betrachtet. Des Weiteren werden Methoden zur Simulation und zur mechanischen Prüfung der gefertigten Hybridprofile aufgezeigt. Zusätzlich soll dabei auch auf die Messung und die gezielte Modifikation von Eigenspannungen, die sich infolge der Verarbeitung der verschiedenen Materialien einstellen, eingegangen werden.

Welf-G Drossel, Mathias Bobbert, Marcus Böhme, Christian Dammann, Axel Dittes, Mina Gießmann, Christian Hühne, Jörn Ihlemann, Robert Kießling, Thomas Lampke, Peter Lenz, Rolf Mahnken, Gerson Meschut, Roland Müller, Matthias Nier, Robert Prussak, Matthias Riemer, Sascha Sander, Mirko Schaper, Ingolf Scharf, Mario Scholze, Stephan-Daniel Schwöbel, Semen Sharafiev, Michael Sinapius, Daniel Stefaniak, Thomas Tröster, Martin F. -X. Wagner, Zheng Wang, Carolin Zinn

4. Hybride Hohlstrukturen für Wellen und Streben

Zusammenfassung

Hohlprofile stellen ideale Strukturen für Leichtbaukonstruktionen mit hohen Widerständen gegen Biege-, Torsions- und Druckbelastung bei geringer Masse dar. Darüber hinaus kann das Leichtbaupotential aufgrund der klar definierten Kraftflüsse innerhalb der Profilstruktur durch die Ausnutzung der Anisotropie von Verbundwerkstoffen zusätzlich erhöht werden. Große Herausforderungen bestehen bei der Gestaltung von Krafteinleitungsbereichen und funktionalen Bereichen, wie etwa tribologisch beanspruchten Oberflächen. Dementsprechend werden diese im Sinne des Multi-Material-Designs meist als metallische Anschluss-, Befestigungs- oder Funktionselemente ausgeführt. In Erweiterung zu klassischen Verbindungstechnologien wie Kleben, Verpressen und Nieten bieten Konturverbindungen ein vielversprechendes Potential für FVK/Metall-Hohlstrukturen, welche intrinsisch gefügt werden können. In diesem Kapitel werden für das Schleuder- und das Schlauchblas-Integral-Verfahren die theoretischen und technologischen Grundlagen zur ressourceneffizienten Fertigung dieser Strukturen dargestellt und deren Verfahrensgrenzen ermittelt. Dabei liegt der Fokus neben der Prozessgestaltung auf der Herstellung, Auslegung und experimentellen Untersuchung des multiskalenstrukturierten Fügebereiches zur Erhöhung der Verbindungsfestigkeit. Anhand von Demonstratorstrukturen wird das realisierbare Bauteilspektrum aufgezeigt.

Maik Gude, Daniel Barfuß, Sven Coutandin, Jürgen Fleischer, Raik Grützner, Franz Hirsch, Markus Kästner, Michael Müller-Pabel, Roland Müller, Jonas Nieschlag, Paul Ruhland, Veit Würfel

5. Bauteilnahe Beanspruchungen und Gestaltungsrichtlinien

Zusammenfassung

Bei intrinsischen Hybridverbunden verschwimmen aufgrund der Inhomogenität Werkstoff- und Bauteileigenschaften. In diesem Kapitel werden daher Maßnahmen der hybridgerechten Bauteilgestaltung diskutiert, mit denen auf hybridspezifische Herausforderungen, die sich unter bauteilnahen Beanspruchungen ergeben, reagiert werden kann. So führt die Kombination artfremder Werkstoffe zu einem Korrosionspotenzial, welchem durch geeignete Präventionsmaßnahmen, wie einem speziellen Grenzflächendesign begegnet werden muss. Letzteres ist auch ein Faktor, welcher die Leistungsfähigkeit eines Hybridverbundes maßgeblich bestimmt, da die Lastübertragung an der Grenzfläche durch entsprechende Vorbehandlungen, geometrische Gestaltung oder eine faserschonende Verbindung der Konstituenten effektiv gestaltet werden kann. Auch Eigenspannungen, die sich bei einer in-situ-Hybridisierung entwickeln können, können die Leistungsfähigkeit eines Hybridwerkstoffes beeinträchtigen, wenn kein eigenspannungsgerechtes Design des Hybridaufbaus bzw. der Prozessführung erfolgt. Aufgrund der vielen denkbaren Konfigurationen ist es nicht mehr einfach möglich, repräsentative Materialeigenschaften mit Hilfe von Normproben zu bestimmen, um daraus Kennwerte für die Bauteilauslegung zu gewinnen oder Gestaltungsrichtlinien abzuleiten, weshalb spezifische Validierungsmöglichkeiten zum Einsatz kommen müssen.

Kay Weidenmann, Mathias Bobbert, Christian Dammann, Fabian Günther, Raik Grützner, Alexander Herwig, Franz Hirsch, Robert Kießling, Peter Lenz, Markus Muth, Robert Prussak, Sascha Sander, Jonathan Serna Gonzalez, Zheng Wang, Carolin Zinn

6. Produktionstechnologien und Anwendungsbeispiele

Zusammenfassung

Das Kapitel Produktionstechnologien und Anwendungsbeispiele liefert anhand einer Potentialanalyse eine Übersicht über die Wirtschaftlichkeit der erforschten Fertigungsverfahren mit intrinsischer Hybridisierung im Vergleich mit konventionellen Fertigungsmethoden für Hybridstrukturen. Für die Betrachteten Verfahren werden die Qualitätssicherungsmethoden des Schwerpunktprogramms zusammengefasst dargestellt. Sie lassen sich während der Bauteilfertigung und im Anschluss an die Hybridisierung einsetzen, um im Speziellen die mit der Hybridisierung in Verbindung stehenden Fehler erkennen und vermeiden zu können. Ergänzt wird dies um Methoden zur Schadensüberwachung von Hybridstrukturen im Einsatzzyklus. Abschließend werden die erarbeiteten intrinsischen Hybridstrukturkonzepte anhand von beispielhaften Demonstratoren vorgestelltund so das Potenzial für mögliche Anwendungen aufgezeigt. Dabei werden die Hybridisierungen genutzt, um faserverbundgerechte punktuelle oder flächige Lasteinleitungen zu etablieren und eine Verstärkung von crashrelevanten Strukturen zu erzielen. Anwendungen werden für die Branchen Automobil, Flugzeug, Bahn, Schiff, Windkraftanlagen, Bauwesen und den allgemeinen Maschinenbau gezeigt.

Carsten Schmidt, Alexander Bernath, Lucas Bretz, Fabian Günther, Peter Lenz, Markus Muth, Jonas Nieschlag, Robert Prussak, Matthias Riemer, Sven Roth, Julian Seuffert, Zheng Wang, Jannik Weykenat, Veit Würfel

7. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

Aufgrund der intrinsischen Hybridisierung kann durch den Verzicht auf nachgeschaltete Fügeprozesse Produktionszeit eingespart werden. In einigen Fällen geht dieser Vorteil mit einem komplexeren Werkzeugdesign im Vergleich zu einer extrinsischen Lösung einher. In diesem Kapitel werden deshalb die allgemeinen Vor- und Nachteile der intrinsischen Hybridisierung sowie die Erkenntnisse des DFG-Schwerpunktprogramms 1712 zusammengefasst. Dabei wird neben Gestaltungshinweisen für die Herstellung von intrinsischen Hybridverbunden auch auf die verschiedenen Fügemechanismen eingegangen. Abschließend wird ein kurzer Ausblick auf zukünftige Forschungsfragen im Bereich der Hybridverbunde gegeben.

Jürgen Fleischer, Sven Coutandin, Jonas Nieschlag

Titel: Intrinsische Hybridverbunde für Leichtbautragstrukturen
herausgegeben von: Prof. Dr. Jürgen Fleischer
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-62833-1
Print ISBN: 978-3-662-62832-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-62833-1

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