Hybridbauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen und Druckgusslegierungen

Verbundwerkstoffe wie beispielsweise kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe spielen in Kombination mit Aluminium- und Magnesiumdruckgusslegierungen aufgrund ihrer sehr guten Werkstoffeigenschaften in Leichtbauanwendungen eine große Rolle. Für den wirtschaftlichen Einsatz in Multi-Materialkonzepten sind jedoch auch innovative und kostengünstige Fügeverfahren mit geringen Zykluszeiten erforderlich. Konventionelle Fügeverfahren wie beispielsweise Schraub- oder Nietverbindungen sowie das adhäsive Fügen gehören mittlerweile zu den etablierten Fertigungsprozessen, sind jedoch meist aufgrund der notwendigen Vorbehandlungsstrategien der Fügekomponenten noch kostenintensiv. Das im Rahmen dieser Arbeit behandelte urformtechnische Verfahren des Verbundgießens zählt in dieser Form zu den innovativen Fügeverfahren und dient hierbei dem leistungsgerechten Verbinden von duroplastischen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen mit Aluminium- und Magnesiumlegierungen. Zur Herstellung der hybriden Fügeverbindungen wurden im Rahmen der Forschungsarbeit unterschiedliche Druckgussbauteile mit dem zugehörigen Druckgießwerkzeug konstruiert. Zur Erreichung eines wesentlich verbesserten hybriden Werkstoffes mussten die maßgebenden Prozessparameter festgelegt und den Versuchsergebnissen gegenübergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass das Umgießen von duroplastischen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen mit Aluminium- und Magnesiumlegierungen im Druckgießverfahren grundsätzlich möglich ist. Schädigungen der temperatursensiblen Epoxidharzmatrix sind aufgrund der im Druckgießverfahren abbildbaren dünnen Umgusswandstärken marginal. Für den Druckgießprozess unübliche Wandstärken von 8 mm zeigten anhand von 3D-Comuptertomographieaufnahmen thermische Schädigungen der Epoxidharzmatrix in Form von Defekten in der Gusskomponente sowie Beeinträchtigungen der CFK-Oberfläche. Die im CFK-Prepreg befindlichen Kohlenstofffasern blieben von den im Druckgießverfahren vorliegenden hohen Temperaturen der Schmelze sowie hohen Gießgeschwindigkeiten und -drücken unbeeinflusst. Mittels durchgeführter Computertomographieaufnahmen sowie metallographischer Untersuchungen nach dem Umgießen konnten die Kohlenstofffasern in einem unverändertem mittensymmetrischen Laminataufbau detektiert werden. Untersuchungen anhand von rein kraftschlüssigen Fügeverbindungen, bei denen ausschließlich die bei der Erstarrungsschwindung der Gusskomponente entstehenden Kontraktionskräfte auf die kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffeinlegeteile wirken, zeigten in Abhängigkeit von den verwendeten Aluminium- und Magnesiumlegierungen unterschiedliche Verbindungsfestigkeiten. Aufgrund höherer Schwindkräfte, insbesondere beim Einsatz der Magnesiumlegierung AM50HP, konnten im Vergleich zu Aluminiumlegierungen höhere Verbundfestigkeiten nachgewiesen werden. Neben der Herstellung von rein kraftschlüssigen Verbindungen erfolgten praktische Untersuchungen und Berechnungen von Simulationsmodellen formschlüssiger Verbindungen. An diesen Verbindungen, welche durch das Umgießen von Innen- und Außenkonturen in den CFK-Geometrien entstehen, konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz formschlüssiger Verbindungen die Verbundfestigkeit der Probekörper deutlich gesteigert werden kann. Die bei den Versuchen gewonnenen Erkenntnisse konnten schlussendlich auf eine seriennahe Geometrie eines Demonstrator-Batteriegehäuses übertragen werden und bestätigen im Zuge dieser Anwendung die Ergebnisse.