Faserverbundkunststoffe mit gitterartigen Textilien für den Leichtbau in der Automobilindustrie

Krömer, Sonja GND

Die vorliegende wissenschaftliche Abhandlung befasst sich mit der Entwicklung und Verarbeitung von gitterartigen Verstärkungen für Leichtbauanwendungen im Spritzgussverfahren. Für den Anwendungsfall gilt der Kunststoffmontageträger des aktuellen Tiguan als Zielbauteil. Die manuell montierte Metallverstärkung soll durch eine partielle Faserverbundvariante im Spritzguss substituiert werden. Die Grundlagenentwicklung erfolgt von der eindimensionalen Plattenebene, über die zweidimensionale Verformung, bis zum dreidimensionalen Bauteil. Dabei liegt jeweils ein besonderes Augenmerk auf der späteren Implementierung in die Großserie. Ausgewählte Komponentenversuche unter Berücksichtigung der Bauteilfreigabe lassen einen Abgleich zum derzeitigen Serienbauteil zu. Die Basis der gitterartigen Gewebeverstärkung bilden zwei verschiedene Glasfasertypen, die in Vorversuchen bezüglich mechanischer Eigenschaften, Faser-Matrix Interaktion zu Polypropylen und Wirtschaftlichkeit die besten Ergebnisse erzielen. Dabei zeigt sich ein deutlicher Unterschied zwischen thermoplast- und duroplastfreundlicher Schlichte der Fasern. Die daraus hergestellten Gittergewebe unterscheiden sich in der Bindungsart (Dreher- und Leinwandbindung), dem Gitterabstand (3x3, 5x5, 6x6 mm) und der Polymerinfusion (SBR, PP). Die Verarbeitung der Gewebe auf eindimensionaler Ebene erfolgt im Spritzgussverfahren mittels einer einfachen Plattengeometrie. Als Matrix dient ein PP-GF30, wie es für das aktuelle Serienbauteil zum Einsatz kommt. Neben der Optimierung der Spritzgussparameter werden unterschiedliche Angusstypen, Gewebeausrichtungen und Materialdopplungen untersucht. Daraus resultiert, dass ein einlagiger Zuschnitt in Kettrichtung den höchsten Verstärkungseffekt erzielt. Der favorisierte Angusstyp ist ein Filmanguss, der zusätzlich die Ausrichtung der Kurzglasfasern in der Matrix unterstützt. Die mechanische Charakterisierung der Platten zeigt bei der PP-3x3 Variante Kennwerterhöhung gegenüber dem reinen Spritzgussmaterial von bis zu ~40 %. Die Randbedingungen der späteren Bauteilkontur werden über eine zweidimensionale Umformung ermittelt. Der maximale Umformradius der Gewebe und der zugehörige kritische Scherwinkel definieren die faserverbundgerechte Kontur des Verstärkungsbereichs im KUM. Die verstärkten KUM werden hinsichtlich freigaberelevanter Bauteilprüfungen untersucht. Wesentlicher Bestandteil dabei ist ein Crashversuch, der in modifizierter Art durchgeführt wird. Da der Crashversuch unter den getroffenen Annahmen lediglich eine Tendenz darstellt, müssen weitere Versuche nach Euro NCAP durchgeführt werden, um eine Substitution der Metallverstärkungen durch gitterartige Glasfasergewebe für den Grenzlastfall zu belegen. Zu den weiterführenden Aufgaben gehört die Durchführung eines Gesamtfahrzeugcrashs, um die Performance der FVK-KUM in Zusammenspiel mit anderen Fahrzeugkomponenten zu prüfen. Weiterhin ist eine Optimierung der Materialqualität und die Entwicklung eines geeigneten Handlingkonzepts für die Serie umzusetzen.

This doctoral thesis deals with the development and processing of a lightweight application using mesh-like reinforcements in the injection molding process. The main target is to replace the manually assembled metal reinforcement of the Tiguan frontend by using the mesh-like reinforcement within the plastic injection process. The development process is divided into three steps or phases. In the beginning it starts with process development on a sheet mold. The second step includes the two-dimensional deformation and the last step is about adopting the results to the three-dimensional component (frontend). In addition to that all steps focus on parameters, which can be upscaled to a serial production process. While using selected component tests from the serial design approval, a comparison between the serial and lightweight frontend is possible. For the mesh-like fabric reinforcement two different types of glass fiber have been chosen by testing and comparing mechanical properties, fiber-matrix interaction with polypropylene and economic aspects. The research of fiber-matrix interaction shows for example a big difference between thermoplastic- and thermoset-friendly size of the fibers. The mesh-like fabrics differ in the type of weave (leno and plain weave), the mesh spacing (3x3, 5x5, 6x6 mm) and the polymer infusion (SBR, PP). In step one the fabrics are processed in an injection molding process in a simple plate geometry (sheet mold). A PP-GF30 is used for matrix material. To find out the ideal parameters of the injection molding process, different sprue types, fabric orientations and material doublings are examined. The preferred sprue type is a film sprue, which also supports the alignment of the short glass fibers in the matrix. Compared to the mechanical properties of the used PP-GF30, plates with the PP-3x3 reinforcement show an increase of there mechanical properties up to ~ 40%. During the second step geometric boundaries for the forming of the reinforcement are evaluated. The maximum forming radius of the fabric and the associated critical shear angle define the fiber-composite contour of the reinforcement area in the frontend. The reinforced frontends are tested by approval-relevant component tests, for examplae crash test. In this doctoral thesis a modified version of the crash test has been used. According to this modification the test results are just showing a trend for the serial application. Taking this into account further tests have to be carried out to ensure that the lightweight version of the frontend fulfills all part requirements. Moreover a complete vehicle crash has to be carried out to check the performance of the reinforced frontend in interaction with other vehicle components. Furthermore an optimization of the material quality and the development of a suitable handling concept for the serial production must be implemented.

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Krömer, Sonja: Faserverbundkunststoffe mit gitterartigen Textilien für den Leichtbau in der Automobilindustrie. Clausthal-Zellerfeld 2020.

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