Lastgerechter Metall-Kunststoffübergang durch Verstärkungsfasern
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Birte von der Beeke, M. Sc. Vicky Reichel, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, Technische Universität Braunschweig
78 Seiten - 66,00 EUR (sw, 39 teils farbige Abb., 12 Tab.)
ISBN 978-3-86776-633-3
Zusammenfassung
Im Forschungsprojekt konnte erfolgreich ein innovatives Spritzgießwerkzeugkonzept und Fertigungsverfahren entwickelt werden, das mit Hilfe von integrierten Endlosfasern zur Steigerung der Zug- und Biegefestigkeit im Materialübergang von Metall-Kunststoff-Verbindungen führt. Der festigkeitssteigernde Effekt beruht dabei auf einer stoff- und formschlüssigen Verbindung im Überlappungsbereich flächiger Halbzeuge.
Für die durchgeführten Untersuchungen wurden verschiedene Prozesskonfigurationen (mit oder ohne Erwärmung) und Materialkombinationen aus Metallen (HX340, AL5000 und Al7000) mit im Spritzguss verarbeiteten Kunststoffen (PA6, PA6 GF30) sowie mit und ohne Haftvermittlersystem (Nolax A22.5011) zur Ermittlung des Einflusses der stoff-schlüssigen Verbindung auf die Gesamtverbundfestigkeit betrachtet. Die formschlüssige Verbindung wurde durch einen mittels Wasserstrahlschneiden oder Stanzverfahrens eingebrachten Durchbruch erreicht, welcher umgefalzt das Anlegen von Endlosfaserrovings ermöglichte.
Das ausgesprochene Ziel des Forschungsvorhabens ist die Beherrschung eines Fertigungsverfahren zur belastungsgerechten Integration von Verstärkungsfasern in den Materialübergang Metall und Kunststoff durch Spritzgießen. Mit der Konzeptionierung und Fertigung des lokal temperierten Spritzgießwerkzeuges und Entwicklung eines endlosfaserverstärkten Materialübergangs aus Metall und Kunststoff wurde dieses erreicht.
Um die industrielle Umsetzbarkeit zu befähigen, wurde ein Automatisierungskonzept zur Fasereinbringung vor dem Anspritzen vorgestellt. Es gilt nun die gewonnenen Erkenntnisse auf verschiedene Anwendungsfelder zu adaptieren, die bisher entwickelten Setzanlagenkonzepte zu detaillieren sowie ein entsprechendes seriennahes Stanz- und Umformwerkzeug für einen möglichen industriellen Einsatz aufzubauen.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Lastgerechter Metall-Kunststoffübergang durch Verstärkungsfasern" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20508N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 575 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
In the research project an innovative injection molding tool concept and manufacturing process was successfully developed that uses integrated continuous fibers to increase the tensile and flexural strength in the material transition of metal-plastic joints. The strength-increasing effect is based on a material and form-fit connection in the overlap area of flat semi-finished products.
For the investigations carried out, various process configurations (with or without heating) and material combinations of metals (HX340, AL5000 and Al7000) with injection-molded plastics (PA6, PA6 GF30) and with and without an adhesion promoter system (Nolax A22.5011) were considered to determine the influence of the interlocking bond. The inter-locking connection was achieved by means of an opening made by water jet cutting or punching, which, when folded over, allowed the continuous fiber rovings to be applied.
The explicit objective of the research project is to master a manufacturing process for the load-oriented integration of reinforcing fibers in the material transition metal and plastic by injection molding. This was achieved with the conceptual design and manufacture of the locally temperature-controlled injection mold and the development of a continuous fiber-reinforced metal/plastic material transition.
To enable industrial feasibility, an automation concept for fiber insertion prior to injection molding was presented. The task now is to adapt the knowledge gained to various fields of application, to detail the setting system concepts developed to date, and to build a corresponding near-series stamping and forming tool for possible industrial use.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Motivation und Zielsetzung
2 Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Thermoplastische Faser -Kunststoff Verbunde
2.2 Hybride Werkstoffe aus Kunststoff und Metall
2.2.1 Verbindungstechnik im Materialübergang bei Kunststoff-Metallverbindungen
2.2.2 Faserbasierte Verbindungstechnik im Materialübergang bei Kunststoff- Metallverbindungen
2.3 Spritzgießen von hybriden Bauteilen
2.4 Fazit zum Stand der Technik
3 Forschungsziel und Lösungsweg
3.1 Prüfkörper und Werkstoffe
3.2 Zugprüfung
3.3 Biegeprüfung
3.4 Verwendete Anlagentechnik
3.4.1 Universalprüfmaschine Zwick Z250
3.4.2 Wasserstrahlschneidanlage
4 Untersuchungen zur formschlüssigen Verbindung
4.1 Schnittgraterzeugung trennender Verfahren
4.2 Einfluss des Schnittgrates auf die Faserschädigung
4.3 Umformung des metallischen Einlegers
5 Entwicklung eines induktionsunterstützten Spritzgießwerkzeuges
5.1 Temperierkonzepte von Spritzgießwerkzeugen
5.1.1 Integration der Induktionserwärmung
5.2 Simulationsgestützte Angussauslegung der Spritzgusskavität
5.2.1 Infiltration der Endlosfaser
5.3 Gesamtwerkzeugkonzept
6 Experimentelle Untersuchungen zum Spritzgießen endlosfaserverstärkter Metall-Kunststoff-Verbindungen
6.1 Prozessanalyse ohne Induktionserwärmung
6.1.1 Ergebnisse der Zugversuche
6.1.2 Ergebnisse der Biegeversuche
6.2 Prozessanalyse und Vergleich mit Induktionserwärmung
6.3 Abschätzung der Automatisierung zur Endlosfaserintegration
7 Ergebnisse und Ausblick
7.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
8 Literatur
