Umformende Verbundherstellung von Textil-Blech-Verbund-Hybriden auf Basis von Kohlenstofffasern und Thermoplast
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, Dr.-Ing. André Hardtmann, Dipl.-Ing. Sven Bräunling, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik der Technischen Universität Dresden - Prof. Dr.-Ing. habil. Dipl.-Wirt. Ing. Chokri Cherif, Dipl.-Ing. Elias Staiger, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der Technischen Universität Dresden
202 Seiten - 89,00 EUR (sw, 100 teils farbige Abb., 54 Tab.)
ISBN 978-3-86776-484-1
Zusammenfassung
Im Fahrzeug-, im Maschinen- und im Anlagenbau besteht stets die Zielstellung, die Massen bewegter Bauteile zu verringern, um eine höhere Bewegungsdynamik bei geringerem Energieeinsatz zu erreichen. Diese Anforderungen forcieren sowohl den konstruktiven, integrativen als auch den stofflichen Leichtbau, denn mit konventionellen Werkstoffen und Prinzipen allein sind keine Lösungen denkbar, die bisherigen Grenzen nicht weiter verschiebbar.
Werkstoffkombinationen aus Metallblech und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff verfügen hier über ein besonders hohes Leichtbaupotential, da damit die Vorzüge beider Werkstoffklassen ausgenutzt werden können. Der konsequente Leichtbau erfordert jedoch nicht nur die Verknüpfung des Einsatzes geeigneter Werkstoffe, sondern auch eine anforderungsgerechte Bauteilgestalt, eine hohe Multifunktionalität der Bauteile sowie die reproduzierbare Herstellung in mittleren und großen Serien mit geeigneten wirtschaftlichen Fertigungsverfahren.
Aus diesen Forderungen leitete sich der Forschungsansatz für das branchenübergreifende, interdisziplinäre Projekt CFK-TBV-Hybrid ab, in dem neben der Entwicklung und Umsetzung des Hybridwerkstoffes auch der Entwurf von vario- und monothermen Werkzeugen, die für die gemeinsame Umformung von Blech und Textil angepasst sind, die Gestaltung der Grenzschichten des Hybridverbundes, um eine sichere Haftung über den Produktlebenszyklus sicherzustellen sowie die Planung einer anforderungsgerechten Prozessführung über die gesamte Prozesskette, um CFK-TBV-Hybridbauteile reproduzierbar und in höchster Qualität herzustellen, Gegenstand der Untersuchungen sind.
Die für die Auslegung und Fertigung der textilen Halbzeuge benötigten Hybridgarne, bestehend aus CF- und Thermoplastfasern, waren zu Projektbeginn nicht bzw. nur in nicht ausreichender Qualität am Markt verfügbar und wurden deshalb in einem ersten Arbeitsschwerpunkt im Projekt entwickelt, umgesetzt und charakterisiert. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden textile Halbzeuge entwickelt. Um möglichst gestreckte Fadenlagen bei sehr guter Umformbarkeit der textilen Halbzeuge zu erzielen, wurden insbesondere biaxial verstärkte Mehrlagengestricke (MLG) favorisiert, die eine fadengerechte Mascheneinbindung von Verstärkungsfäden in Schuss und Kettrichtung erlauben. Die Varianten wurden hinsichtlich ihres Umformverhaltens sowohl mit Hilfe von Prüfversuchen als auch über eine entwicklungsbegleitende Simulation an der Demonstratorbauteilgeometrie charakterisiert.
Für die richtige Einstellung der Grenzschicht, die entscheidenden Einfluss auf die spätere Haftfestigkeit hat, wurden die Oberflächenenergien der Hybridpartner bestimmt, geeignete Maßnahmen zur Oberflächenbehandlung untersucht und in Scherzuguntersuchungen überprüft. Zusätzlich wurden exemplarisch Untersuchungen unter Klimawechselbeanspruchung durchgeführt, wobei sich die SACO-Vorbehandlung als am geeignetsten herausstellte.
Mit der werkzeugtechnischen und technologischen Umsetzung von drei unterschiedlichen Prozessketten für den Umform-/Fügeprozess konnte mit den umgesetzten komplexen Demonstratorbauteilen mit hohem qualitativen Niveau nachgewiesen werden, dass erstens die Hybridtechnologie prinzipiell umsetzbar ist. Zweitens wird damit aber auch gezeigt, dass durchaus unterschiedliche Konzepte zum Ziel „komplexes Hybridbauteil" führen können.
Aus diesen gezeigten Prozesskettenvarianten kann je nach Teilegeometrieklasse, Stückzahl und geforderter Taktzeit sowie Kostenaspekten eine für den jeweiligen späteren Anwendungsfall optimale gewählt werden. In Zusammenarbeit von Ingenieuren und Betriebswirtschaftlern wurden für alle Prozessschritte der Gesamtprozesskette Kostenabschätzungen vorgenommen, bei denen deutlich wird, dass zum gegenwärtigen Stand der Marktverfügbarkeit von CF-Garnen ca. 75 % der Bauteilkosten vom CF-Material verursacht werden.
Die Zielstellungen des Projektes wurden erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Umformende Verbundherstellung von Textil-Blech-Verbund-Hybriden auf Basis von Kohlenstofffasern und Thermoplast" wurde unter der Fördernummer AiF 477ZBR 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 (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 436 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The engineering of vehicles, plants and machinery constantly demands the reduction of moving part masses in order to improve dynamics with lower energy consumption at the same time. Those demands boost design-based, integrated, and material-based lightweight designs, since conventional materials and production principle alone cannot offer solutions for further pushing current limits.
Material combinations made from sheet metal and carbon-fibre reinforced plastics have enormous potential for lightweight design, since the advantages of both material classes can be utilized at the same time. Lightweight design does not only require the combination of appropriate materials but also calls for smart part designs, multifunctionality, as well as efficient and reproducible manufacturing processes for medium and large-scale production volumes.
Based on these requirements, the research objective of the CFK-TBV-Hybrid project was to not only engineer and improve hybrid materials but also to address the design of tools with and without temperature control to form sheet metal and fabric in one step. The project work also focused on the design of boundary layers to guarantee a safe connection between both materials during the product's life cycle. Another important task was the planning of a process chain to fabricate reproducible parts of highest quality.
Hybrid yarns which are required for designing and manufacturing the semi-finished good, consist of carbon fibers and thermoplastic fibers and the appropriate quality was not available in the free market. The yarn was, therefore, designed, engineered, and characterized as a first project step and served as a basis for creating the semi-finished fabric. In order to obtain stretched thread layers combined with good formability of the semi-finish good, knitted and biaxially reinforced, multi-layer fabrics which enables the integration of stitches made from reinforced threads in both warp and woof direction, were favored. The variants were characterized regarding their formibility be means of experiments and simulations on the example of academic part geometries.
In order to adjust the boundary layers for optimal adhesion, the surface energy was meas-ured; appropriate surface treatments were investigated and the compound was tested for shearing resistance. Addionally, the materials were exposed to alternating climate conditions which attested SACO treatment to deliver the best results.
By installing tools and technology for three different process chains of the combined forming and joining process on the examples of complex part with high quality, the general feasibility was demonstrated. Furthermore, it was shown that different approaches could successfully lead to complex hybrid parts. From the pool of variants the best fit for a specific application regarding specific part geometries, units, cycle times an individual part costs can be selected.
In cooperation with economists, the costs for all process steps were estimated. The calculation reveals that 75% of the actual part costs can be associated with the cost for the carbon fibre material.
The aims of the project were achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Ausgangssituation und Problemstellung
2.2 Stand der Forschung
2.2.1 Faserkunststoffverbunde (FKV)
2.2.2 Hybridgarne
2.2.3 Temperierte Prozessführung und Werkzeuge
2.2.4 Haftungsgerechte Oberflächenmodifikation der Halbzeuge
2.2.5 Einordnung in die übergeordnete Thematik „Hybride Bauteile"
2.3 Ableitung des Forschungsbedarfs
2.4 Forschungsziel
2.4.1 Angestrebte Forschungsergebnisse
2.5 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels
2.5.1 Methodischer Ansatz:
2.5.2 Werkstoffliche Einordnung
3 Präzisierung der Aufgabenstellung
3.1 Anforderungen an CFK-TBV-Hybridverbundbauteile
3.2 Auswahl der Bleche, Matrixsysteme sowie Festlegungen hinsichtlich der Eigenschaften der textilen Halbzeuge
3.3 Präzisierung und Gestaltung von Technologiedemonstratoren
4 Halbzeugentwicklung
4.1 Auswahl, Entwicklung und Prüfung von Hybridgarnen
4.1.1 Beschaffung, Prüfung und Bewertung kommerzieller Hybridgarne
4.1.2 Entwicklung und Fertigung von Hybridgarnen
4.1.3 Charakterisierung der angefertigten Hybridgarne
4.2 Entwicklung und Anfertigung anforderungsgerechter Hybridtextilien
4.2.1 Iterative Auslegung der textilen Flächengebilde
4.2.2 Charakterisierung der textilen Flächengebilde
4.2.3 Charakterisierung der konsolidierten textilen Flächengebilde
4.3 Halbzeug Blech
4.3.1 Mechanische Kennwerte der Blechmaterialien
4.3.2 Oberflächeneigenschaften der Blechmaterialien
5 Konzeptentwicklung und Prozessauslegung
5.1 Simulative Vorbetrachtung
5.1.1 Technologische Auslegung des Blechumformprozesses
5.1.2 Simulationsbegleitete Auslegung des Drapierverhaltens der textilen Flächengebilde
5.2 Konzeptentwicklung zur Prozessführung und Variantenvergleich
5.2.1 Variothermer Umform-/Fügeprozess mit getrennter Umformung
5.2.2 Einstufiger variothermer Umform-/Fügeprozess
5.2.3 Umform-/Fügeprozess mit getrennter Umformung und externer Erwärmung
5.3 Auslegung der Temperierprozesse, Werkzeugentwicklung, -konstruktion und -bau
5.3.1 B-Säulen-Werkzeug
5.3.2 S-Rail-Werkzeug
5.3.3 U-Profil-Werkzeug
6 Oberflächenmodifikation / Haftung
6.1 Technologische Auslegung der Oberflächenmodifikation Hybridgarn-Verstärkungstextilien und Blech
6.1.1 Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften der Ausgangsmaterialien
6.1.2 Technologische Auslegung der Oberflächenmodifikation für die Blechwerkstoffe
6.1.3 Technologische Auslegung der Oberflächenbehandlungsverfahren für textile Halbzeuge
6.2 Untersuchungen zur Oberflächenmodifikation Blech und Hybridgarn-Verstärkungstextil
6.2.1 Durchgeführte Oberflächenmodifikationen am Blech
6.2.2 Durchgeführte Oberflächenmodifikationen am textilen Halbzeug
6.3 Bewertung der Haftungs- und Verbundeigenschaften
6.3.1 Prüfkonzept
6.3.2 Scherzuguntersuchungen
6.3.3 Korrosionsuntersuchungen
7 Technologische Untersuchungen
7.1 Werkzeuginbetriebnahme und iterative Werkzeuganpassung
7.1.1 B-Säulen-Werkzeuge
7.1.2 S-Rail-Werkzeug
7.2 Versuchsdurchführung zur Parameteridentifikation und -ermittlung
7.2.1 Hybridbauteil B-Säule
7.2.2 Hybridbauteil S-Rail
7.2.3 Hybridbauteil U-Profil
8 Prüfung gefertigter TBV-Hybride
8.1 Sichtprüfung und Oberflächen
8.2 Zerstörende Prüfung durch Auftrennen, Metallografie und Mikroskopieren
8.3 Verbundfestigkeit der CFK-TBV-Hybriddemonstratoren
8.4 Zerstörungsfreie Prüfung der CFK-TBV-Hybriddemonstratoren
9 Potenzialbewertung und Gestaltungsempfehlungen
9.1 Potenzialbewertung zu Verfahren und Werkstoff
9.2 Gestaltungsempfehlungen für angepasste textile Halbzeuge
9.3 Kostenbetrachtung
9.3.1 Szenarioanalyse
9.3.2 Kalkulationsverfahren
9.3.3 Kostenstelle für ein Basisszenario
9.3.4 Analysedurchführung für einstufigen Umform-/Fügeprozess
9.3.5 Analysedurchführung für zweistufigen Umform-/Fügeprozess
9.3.6 Analysedurchführung für kostenoptimierte textile Varianten
9.4 Erforderliche Maßnahmen zur Industrieanwendung
10 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der erzielten Forschungsergebnisse für kleine und mittlere Unternehmen (KMU)
10.1 Voraussichtliche Nutzung der erzielten Forschungsergebnisse in KMU
10.2 Voraussichtlicher Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU
10.3 Aussagen zur voraussichtlichen industriellen Umsetzung der FuE-Ergebnisse nach Projektende
11 Ergebnisse und Ausblick
12 Literatur
13 Anhang
Bericht zur Kennwertermittlung der Blechwerkstoffe
