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EFB-Forschungsbericht Nr. 383

3D-Bauteile aus Blech und Textil durch umformende Verbundherstellung

efb383

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, Dipl.-Ing. Sven Bräunling, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik der Technischen Universität Dresden - Prof. Dr.-Ing. habil. Dipl.-Wirt. Ing. Chokri Cherif, Dipl.-Ing. Elias Staiger, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der Technischen Universität Dresden - Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Ulbricht, Dr.-Ing. Thomas Linse, Institut für Festkörpermechanik der Technischen Universität Dresden

192 Seiten (sw, 84 teils farbige Abb., 61 Tab. und Diagr.)

ISBN: 978-3-86776-426-1

Preis (Digital) EUR 71,03

Preis (Print) EUR 89,00

Zusammenfassung

Die im Fahrzeug-, im Maschinen- und im Anlagenbau bestehende Notwendigkeit, die Massen bewegter Bauteile zu verringern, um eine höhere Bewegungsdynamik bei geringerem Energieeinsatz zu erreichen, forciert die Entwicklung hoch beanspruchbarer Leichtbauteile. Werkstoffkombinationen aus Metallblech und faserverstärktem Kunststoff verfügen hier über ein besonders hohes Leichtbaupotential, da damit die Vorzüge beider Werkstoffklassen ausgenutzt werden können.

Für die effiziente Fertigung dieser neuartigen Werkstoff-/Bauteilhybride bedarf es der Entwicklung innovativer, kostengünstiger Fertigungsverfahren für mittlere und große Serien. Hieraus leitet  sich das Forschungsziel des Vorhabens ab, die Verbunderzeugung und das Umformen zu einem Arbeitsschritt „Verbindendes Umformen“ zusammenzufassen und einen kombinierten (in-situ) Umform-Füge-Prozess zur Herstellung komplex gestalteter 3D-Mehrschichtverbund-Bauteile aus Metallblechen und endlosfaserverstärktem Thermoplast zu entwickeln.

Textilseitig werden Hybridgarne nach den gestellten Anforderungen ausgewählt, qualifiziert und zu 11 biaxial verstärkten Mehrlagengestricken und einem biaxial verstärkten maschengerechten Kettengewirk verarbeitet, die sich vor allem hinsichtlich des Garneinsatzes in den Fadensystemen, der Bindung und der Maschenlänge unterscheiden. Die entstandenen Flächengebilde werden bewertet und Vorzugsvarianten herausgearbeitet, die über die gesamte Bandbreite die günstigsten Eigenschaften hinsichtlich Drapiereigenschaften und mechanischer Kennwerte im konsolidierten Verbund aufweisen.

Der Betrachtung der Grenzschichten des Textil-Blech-Verbundes, der Blechoberfläche einerseits und der des konsolidierten FKV andererseits kommt eine besondere Bedeutung zu, weil die Haftung zwischen beiden ohne zusätzliche Klebstoffe während des gemeinsamen Konsolidierens und Rückkühlens erfolgen soll. Mit den entwickelten und durchgeführten Oberflächenmodifikationen kann gezeigt werden, dass Scherzugfestigkeiten bis ca. 9 MPa erreichbar sind. Als besonders effektiv erweisen sich dabei das Vakuumsaugstrahlen für unbeschichtete Stahlblechwerkstoffe und das Laserstrahlen für Aluminiumwerkstoffe. Die Oberflächenmodifikation der Textilhalbzeuge wird ebenfalls erfolgreich untersucht.

Mit der Entwicklung und Fertigung eines prototypischen Umform-Füge-Werkzeuges für ein Funktionsmusterbauteil S-Rail wird erfolgreich nachgewiesen, dass die Einschritt-Technologie mit einer variothermen Prozessführung umsetzbar ist. In umfangreichen Untersuchungen wird ein erster optimierter Prozessablauf für das in-situ Umform-Füge-Verfahren erarbeitet. Anhand von Simulationsrechnungen wird Weiterentwicklungspotential hinsichtlich der Senkung der Prozesszeit und Weiterentwicklung der Werkzeugtechnologie aufgezeigt. Die abgeschätzten Fertigungskosten sind in starkem Maße von der Prozesszeit abhängig, demzufolge einhergehend mit einer Minimierung der Prozesszeit auch eine erhebliche Kostenreduktion zu prognostizieren ist.

Für eine effiziente Prozess- und Werkzeugauslegung besteht außerdem Bedarf an unterstützenden Simulationswerkzeugen. Mit dem im Projekt generierten Gesamtmodell des Prozesses kann das in-situ Umform-Füge-Verfahren simuliert werden. Aus dem Vergleich mit experimentellen Ergebnissen (Bereiche der Faltenbildung, Ablösen der Verbindung Blech-Textil) konnte eine gute Simulationsqualität festgestellt werden.

Die Untersuchungen werden exemplarisch anhand der Materialkombination Glas (GF)/Polypropylen (PP) einerseits und andererseits Metallblech (konventioneller Tiefziehstahl, Aluminiumlegierung) durchgeführt. Daraus ergeben sich gute Ansätze für die Übertragung der Ergebnisse auf andere Materialkombinationen für höhere mechanische und thermische Anforderungen, wie Glas/Polyester oder Kohlenstoff/ Polyetheretherketon.
Die Zielstellungen des Projektes wurden erreicht.

Das IGF-Vorhaben „3D-Bauteile aus Blech und Textil durch umformende Verbundherstellung“ wurde unter der Fördernummer AiF 377ZBR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 383 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Abstract

The engineering of vehicles, plants and machines requires a mass reduction of moving components in order to attain greater motion dynamics at lower energy consumption. This puts the spotlight on the development of highly durable lightweight parts fulfilling additional functional requirements while being producible with cost-effective, mass production-ready methods. The use of conventional materials alone cannot meet these challenges.

One solution, however, would be to combine the respective positive properties of different materials in a compound, thus fulfilling the requirements of material construction, product design and recyclability. Such lightweight construction concepts demand innovative materials and material combinations, as well as economic technologies for the manufacturing and processing methods.

The goal of the 3D-textile-sheet composites is to realize and implement one such promising and innovative material combination from metal sheets and continuous fiber-reinforced thermoplastic synthetic material into complex components. The basis for this composite material is provided by two pre-products: metal sheets and continuous fiber-based, thermoplastic textile reinforcement structures. Essentially, this combines highly developed isotropic metal sheets with fiber-reinforced plastic composites (FRPC) and the latter’s properties' specifically adjustable anisotropy.

In contrast to the conventional production methods of textile-sheet composites (TSC) - multi-stage efforts consisting of the sub-processes of joining the components into composite sheets and forming them into the component - this project successfully produced TSCs in a one-stage process by means of "in-situ forming-joining principle".

The textile pre-product element contributes greatly to the successful realization of the joint forming and joining process. It consists of hybrid yarn containing continuously-reinforcement fibers as well as continuous thermoplastic fibers, with the latter constituting the matrix-forming material in the finished composite. The hybrid yarns are processed into biaxially reinforced multilayered weft-knitted fabrics and reinforced warp-knitted fabrics with stitch-oriented thread binding.

These fabrics allow the textile to meet the high drapeability demands during the forming-joining process with the sheet metal. Simultaneously, these textile fabrics guarantee the retention of non-undulating, stretched reinforcement thread positions for the maximum mechanical properties of the reinforcement threads in longitudinal fiber direction.

The production of complex 3D-textile-sheet metal composites by means of in-situ forming-joining principle from the sheet and reinforcement textile pre-products is performed with a variothermal forming-joining tool. The tool concept parallels that of a classic forming die consisting of a punch, a die and a blankholder. For this, a process regimen has been developed, decribing the necessary temperature and pressure courses in the conceptualized and realized tool.

The production of a hybrid composite part by means of the method described consists of three steps: stacking of the pre-products, joint heat forming, and cooling.  The energy input during the forming-joining process fuzes the thermoplastic content of the reinforcement textile's hybrid yarn and impregnates the glass reinforcement fibers. This transforms the original reinforcement textile into an FRPC during cooling and joins it permanently to the metal sheet.

Since the adhesive connection between metal sheet and thermoplastic pre-product is a critical quality feature of the TSC, the surfaces of the composite components were appropriately designed and treated in order to attain ideal composite properties.
Furthermore a FEA model for the overall prozess was generated with what one is able to simulate the in-situ dings. Comparisons with experimental results verify a good simulation quality.
The aims of the project were achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abstract
Abbildungsverzeichnis
Tabellen und Diagramme

1     Einleitung
2     Stand der Technik
2.1     Fertigen von textilen Halbzeugen und FKV
2.2     Temperierte Prozessführung und Werkzeuge
2.3     Hybride Bauteile
3     Zielstellung des Vorhabens
4     Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels
5     Entwicklung und Charakterisierung Hybridtextil
5.1     Präzisierung der Anforderungen (AP1)
5.2     Auslegung der Hybridtextilien (AS 2.2)
5.3     Experimentelle Entwicklung und Herstellung der Hybridtextilien (AS 4.2)
5.4     Herstellung von Prüfplatten und -körpern (AS 4.5)
5.5     Charakterisierung der textilen Halbzeugeigenschaften (AS 5.1)
5.6     Experimentelle Untersuchungen an Prüfplatten (AS 5.2)
5.7     Gestaltungsempfehlungen für angepasste textile Halbzeuge (AS 6.2)
6     Werkzeugentwicklung für die variotherme Prozessgestaltung
6.1     Feinabstimmung der Anforderungen und des Funktionsmusters (AP1)
6.2     Technologische Auslegung des Blechumformprozesses (AS 2.1)
6.3     Auslegung des Temperierprozesses (AS 2.4)
6.4     Werkzeugentwicklung und Konzeption der Prozessführung (AS 2.5)
6.5     Werkzeugbau und Inbetriebnahme (AS 4.1)
7     Oberflächenmodifikationen
7.1     Auslegung der Oberflächenmodifikation für Blech (AS 2.3)
7.2     Auslegung der Oberflächenmodifikation für das Hybridtextil (AS 2.3)
7.3     Durchführung der Oberflächenmodifikationen Blech (AS 4.3)
7.4     Durchführung der Oberflächenmodifikationen Hybridtextil (AS 4.4)
7.5     Prüfkonzept (AS 4.5)
7.6     Ermittelte Haftfestigkeiten (AS 5.2)
8     Technologische Untersuchungen
8.1     Versuchsdurchführung zu Umform-Füge-Prozessen (AS 4.6)
8.2     Prüfung und Bewertung der Qualität der Verbundbauteile (AS 5.3)
9     Prozesssimulation
9.1     Material- und Kontaktmodelle (AS 3.1)
9.2     Experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung von Reibeigenschaften (AS 3.2/5.2)
9.3     Homogenisierung mittels Mehrskalensimulation (AS 3.3)
9.3.1     Mechanische Eigenschaften
9.3.2     Thermische Eigenschaften
9.4     Gesamtmodell des in-situ Umform-Füge-Prozess (AS 3.4, AS 6.3)
9.5     Prozesssimulation für das in-situ Umform-Füge-Verfahren (AS 3.5, AS 6.3)
9.5.1     Tiefziehen bei Raumtemperatur
9.5.3     Abkühlen und Rückfederung
9.5.4     Simulationsergebnisse, Vergleich mit dem Experiment (AS 5.5)
10     Kostenbetrachtung und Potentialbewertung
10.1     Kostenbetrachtung
10.2     Potentialbewertung (AS 6.4)
11     Ergebnisse und Ausblick
12     Literaturverzeichnis