Entwicklung einer verbundoptimierten Prozessführung im variothermen Pressverfahren

Die europäische Herausforderung, bis 2050 klimaneutral zu sein, fordert Industrie und Forschung gleichermaßen, neue Fertigungs- und Werkstoffkonzepte zu liefern und damit zum Erreichen dieses Ziels beizutragen. Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffklassen zu einem hybriden Verbundsystem bietet ein neues und spannendes Werkstofffeld mit besonders hohem Potenzial. Die Arbeit fokussiert dabei ein Leichtbaukonzept aus faserverstärktem Kunststoffkern mit metallischen Deckschichten (fibre metal laminate, FML), hergestellt im einstufigen variothermen Fertigungsprozess. Ausgehend von einer Charakterisierung der Monomaterialien wird eine Analyse der Haftfestigkeiten zwischen Metall und Polymer im Heißpressprozess durchgeführt. Die Optimierung der Haftungseigenschaften erfolgt einerseits durch Änderung der Oberflächenmorphologie der metallischen Komponente. Untersucht werden der Einfluss thermischer Vorbehandlung (Tempern) und mechanischen Aufrauens. Andererseits werden sowohl die Druckstufen als auch das Temperaturprofil auf das Herstellungsverfahren des Dreischicht-Verbundsystems abgestimmt und Zusammenhänge charakterisiert. Die festgestellten Einflussfaktoren fließen in die Ermittlung des Prozessfensters für den variothermen einstufigen Umformfügeprozess ein. Fokussiert wird in dieser Arbeit die Bestimmung eines Arbeitsfensters und dessen Einflusses auf den Kernwerkstoff des Dreischicht-Sandwichverbundes. Der Kernwerkstoff, glasfaserverstärktes Polyamid 6 (PA-GF), bringt in den komplexen Fertigungsprozess Besonderheiten ein, welche während der Umformung beachtet werden müssen. Das Verhalten der textilen Verstärkung, aber auch das der polymeren Matrixkomponente, werden daher intensiv betrachtet. Die Formgebung der metallischen Deckschicht des Verbundes benötigt im hier vorgestellten Prozess verhältnismäßig hohe Umformkräfte, wohingegen der Kernwerkstoff, bedingt durch das schmelzflüssige Polymer und das Scherdeformationsverhalten des Fasergewebes, geringe Formgebungskräfte benötigt. Ein Abstimmen der Fügeparameter auf die gemeinsame Formgebung der Verbundpartner sowie das simultane Erzeugen einer Anbindung ist daher Kern dieser Abhandlung. Als Bauteilprüfung wird, in Anlehnung an automobile Strukturelemente (Dachquerträger, B-Säule oder Stoßfänger) eine Hut-Profil Geometrie gewählt. Diese Geometrie erlaubt die Identifikation der fertigungsbedingten Randbedingungen. Gleichzeitig erlaubt das Profil die Untersuchung der Übertragbarkeit des Fertigungsprozesses auf geänderte Sandwichzusammensetzungen. Untersucht wird der Einfluss der Kernschichtdicke sowie deren Faserorientierung (0°/90° und ± 45°), der Einfluss geänderter metallischer Deckschichten auf die Formbarkeit und das mechanische Bauteilverhalten bei quasistatischer 3-Punkt Biegung. Abschließend erfolgt die Charakterisierung der Feuchtigkeitsaufnahme anhand von ebenen FML-Proben, welche Rückschlüsse auf das Materialverhalten bei feuchter Lagerung/Nutzung, sowie Rückschlüsse auf das Verhalten einer lokalen Feuchtigkeitsaufnahme infolge einer Beschädigung ermöglicht.