Gesamtbeschreibung
Im Rahmen des Projektes „Einfluss, Detektion und Vorhersage von Defekten in großserientauglichen Hybridverbunden für Metall/CFK-Leichtbautragstrukturen“ steht die Verbindung zwischen der CFK- und der Metall-Komponente eines Hybridverbundbauteils im Mittelpunkt. Es ist die übergeordnete Zielsetzung, eine Verbindungstechnologie wissenschaftlich zu untersuchen, die
a) einer weitgehend automatisierten Serienfertigung von Hybridverbundbauteilen
auch in großen Stuckzahlen gerecht wird,
b) auch Aspekte wie Einfluss, Detektion und Vorhersage von Defekten
berücksichtigt,
c) bezüglich der Lastpfade optimiert und dementsprechend hoch belastbar ist
und in der Serienfertigung qualitätsgesichert, reproduzierbar zu realisieren ist,
d) Kostenvorteile besitzt.
Es ist herauszustellen, dass alle aufgeführten Aspekte gleichermaßen zu berücksichtigen sind. Dementsprechend wird ein Lösungskonzept verfolgt, welches zwar einerseits eine etwas geringere Belastbarkeit andererseits aber Kostenvorteile oder eine bessere Eignung zur Serienfertigung gegenüber etablierten Verbindungskonzepten sowie das Potential für eine Funktionsintegration besitzt. Die formulierte Zielsetzung adressiert damit verschiedene Disziplinen, die ineinander greifen und von den folgenden Forschungsstellen abgedeckt werden:
Konstruktion/Mechanik: LKT
Produktion/Qualitätssicherung: wbk, LLB
Werkstofftechnik/Bauteilprüfung: LLB, LKT
Im Forschungsprojekt wird die Komplexität der Geometrie im Verbindungsbereich von CFK- und Metallkomponente weiterhin schrittweise gesteigert. Das Ziel ist es, anwendungsrelevante Bauteilgeometrien von Hybridverbunden für Metall/CFK-Leichtbautragstrukturen großserientauglich darzustellen.
Teilbeschreibung
Produktion
Für die zukünftige Serienfertigung von Hybridverbundbauteilen stellt neben der werkstoffgerechten Konstruktion insbesondere die Qualitätssicherung eine Schlüsselfunktion dar. Um eine wirtschaftliche Fertigung realisieren zu können muss bereits im Formgebungsprozess – dem Preforming – das Hybridverbundbauteil auf Defekte geprüft werden, um so eine weitere, unnötige Wortschöpfung an einem bereits defekten Bauteil zu vermeiden. Im vorliegen Vorhaben soll durch die Qualitätssicherung die Defektfreiheit des Hybridverbundbauteils, im Besonderen in der Übergangszone vom CFK auf das Metall sichergestellt werden. Hierbei kann eine grobe Einteilung in zwei übergeordnete Messaufgaben vorgenommen werden. Die Detektion von Defekten im textilen Carbon-Halbzeug sowie die Positionierung der Metall-Kunststoff-Komponente im Preform.
Um die Tauglichkeit der Messverfahren zu überprüfen, ist es wesentlich sie an Probekörpern zu testen. Hierzu wird im Rahmen des Projektes eine Fertigungsmethode entwickelt, wie Defekte reproduzierbar in Hybridverbund-Probekörper eingebracht und infiltriert werden können, um nach der inline-Prüfung eine nachgelagerte zerstörungsfreie Prüfung zu ermöglichen.
Kontakt
wbk Institut für Produktionstechnik
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
www.wbk.kit.edu
Antragsteller:
Prof. Dr.-Ing. Gisela Lanza
Tel.: +49 (721) 608-44017
Gisela.Lanza@kit.edu
Ansprechpartner:
M. Sc. Dietrich Berger
Tel.: +49 (721) 608-44016
Dietrich.Berger@kit.edu
Werkstoffkunde
Im Rahmen dieses beantragten Teilprojektes sollen geeignete Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) z.B. mittels Sensor- oder Datenfusion kombiniert für die Charakterisierung der Grenzflächen in intrinsische Metall-CFK Hybridverbunden untersucht werden. Diese Methoden und Verfahren sollen sowohl für die Integration in Produktionsprozesse im Sinne der Qualitätssicherung als auch in der Ermüdungsprüfung zur Struktur- bzw. Schädigungscharakterisierung entwickelt werden. Weiterhin werden Ermüdungshypothesen wie z.B. bruchmechanische Ansätze, welche bei Metallen, Thermoplasten und CFK Anwendung finden, auf die Hybridverbundbauteilverbindung erweitert, um eine Vorhersage von Defektentstehung und Defektwachstum zu realisieren.
Die Validierung der zu entwickelnden ZfP-Methoden soll mit Hilfe von künstlich, im Preforming definiert eingebrachter Fehlern auf den fertigen intrinsischen Metall-CFK-Hybridverbund (wie im Teilprojekt wbk beschrieben) erfolgen. Der Fokus liegt hierbei auf der Charakterisierung der CFK-dominierten Grenzfläche, welche ggf. einen Einfluss auf die Prozessautomatisierung hat. Angestrebt sind in den Prozess „eingetaktete“ vollautomatische ZFP-Verfahren, die mit der vom wbk entwickelten Inline-Messmethodik kombiniert werden.
Um die Ermüdungshypothesen durch experimentelle Versuche zu stützen, muss ein Prüfstand aufgebaut werden, der den Belastungen eines Ermüdungsversuchs Stand hält. Während eines Ermüdungsversuchs sollen verschiedene Lastverläufe ermöglicht werden, wie z.B. sinusförmige-, Dreieck-, Rechteck- und Betriebslastverläufe.
Die Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens erfolgt mittels kombinierter ZfP-Methoden (z.B. durch Sensor oder Datenfusion). Diese Daten dienen zur Korrelation mit dem Defektwachstum und zur Klärung der defektbedingten Schädigungsentwicklung (Effects of Defects). Diese Ergebnisse fließen in die Fügestellengestaltung und -optimierung (wie im Teilprojekt des LKT) ein.
Im Gegensatz zu rein metallischen Proben oder Bauteilen, müssen die Ermüdungseffekte der einzelnen Hybridpartner separiert und die Kunststoff-CFK Grenzflache in einer erweiterten Parametrisierung berücksichtigt werden.
Kontakt
Fraunhofer Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP
Lehrstuhl für Leichtbausysteme
Universität des Saarlandes
Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät III
Fachrichtung 8.4 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Campus E3 1
D-66123 Saarbrücken
www.izfp.fraunhofer.de
Antragsteller:
Prof. Dr.-Ing. Hans-Georg Herrmann
Leiter Methodenentwicklung für das Lebensdauermanagement
Tel.: +49 (681) 9302-3820
Fax: +49 (681) 9302-113820
Hans-Georg.Herrmann@izfp.fraunhofer.de
Ansprechpartner:
Michael Schwarz
Michael.Schwarz@izfp-extern.fraunhofer.de
Jannik Summa
Jannik.Summa@izfp-extern.fraunhofer.de
Mechanik
Im Rahmen dieses Teilprojektes ist die Zielsetzung, das metallische Bauteil in seiner geometrischen Komplexität im Anbindungsbereich zum CFK so weit wie möglich zu reduzieren und im großserientauglichen Spritzgießverfahren dann mit einer Kunststoffkomponente zu versehen, welche die funktionale Oberfläche für den Verbund zum CFK bildet. Das Metall- Kunststoff-Verbundbauteil kann anschließend in einem einstufigen Prozess mit dem CFK zu einem Hybridverbundbauteil kombiniert werden.
Die konstruktive Gestaltung der Metall-Kunststoff-Komponente hängt in hohem Maße von der Belastungssituation ab, die über das Metallbauteil in die CFK-Komponente übertragen werden soll. Aus diesem Grunde werden zunächst einfache, anschließend kombinierte Lastfälle analysiert. Des Weiteren wird die geometrische Komplexität des Anbindungsbereiches gesteigert.
Es ist ferner ein Ziel dieses Teilprojektes, mittels numerischer Simulationen zu überprüfen, in welchem Maße die Hybridverbundbauteile robust gegenüber möglichen Defekten sind, die im Fertigungsprozess im Verbindungsbereich erzeugt werden. Das Verhalten dieser Defekte wird anschließend im Vergleich zu einem fehlerfreien Hybridverbundbauteil in Bauteilexperimenten verifiziert. Diese Bauteilprüfungen sichern außerdem die konstruktiven Lösungskonzepte ab und weisen deren Leistungsfähigkeit bzw. -grenzen nach.
Zusammengefasst beschäftigt sich dieses Teilprojekt damit, unter Verwendung einer Kunststoffkomponente ein CFK-Metall-Hybridverbundbauteil in einem großserientauglichen Fertigungsverfahren kostengünstig und qualitätsgesichert zu realisieren. Das Teilprojekt entwickelt die konstruktiven Grundlagen für die Komponenten in dem Verbindungsbereich und leitet daraus eine Konstruktions- und Berechnungsmethodik ab. Ferner wird die Robustheit der Konstruktion gegenüber fertigungsbedingten Defekten evaluiert. Die Forschungsergebnisse werden in Kurzzeit-Prüfungen und dynamischen Langzeitversuchen (Ermüdungsprüfungen) evaluiert.
Kontakt
Technische Universität Dortmund
Maschinenbau
Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitungstechnologie
Leonhard-Euler-Str. 5
44227 Dortmund
www.tu-dortmund.de
Antragsteller:
Prof. Dr.-Ing. Markus Stommel
Tel.: +49 (231) 755-5753
Fax: +49 (231) 755-5736
Markus.Stommel@tu-dortmund.de
Ansprechpartner:
Markus Pohl
Markus.Pohl@tu-dortmund.de
