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EFB-Forschungsbericht Nr. 446

Reduktion der Schallabstrahlung durch gezielte Schubdämpfung in hybriden Metall-Kunststoff-Verbunden

efb446

Verfasser:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Prof. Lothar Kroll, Mario Wührl, B.Sc., Professur für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung am Institut für Strukturleichtbau, Technische Universität Chemnitz - Prof. Dr.-Ing. Dirk Landgrebe, Dipl.-Ing. Matthias Riemer, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz - Prof. Dr. Steffen Marburg, Christian A. Geweth, M.Sc, Professur für Technische Dynamik am Institut für Mechanik der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik, Universität der Bundeswehr München

122 Seiten (sw, 81 teils farbige Abb., 13 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-494-0

Preis (Digital) EUR 58,45

Preis (Print) EUR 73,00

Zusammenfassung

Ziel des Vorhabens der industriellen Gemeinschaftsforschung „Reduktion der Schallabstrahlung durch gezielte Schubdämpfung in hybriden Metall-Kunststoff-Verbunden" war es, einen MKV zu entwickeln und herzustellen, der die Eigenschaften von Leichtbau-Sandwichblechen (hohe Biegesteifigkeit) mit denen von geräuschdämmenden Sandwichblechen (hohe Schubdämpfung) kombiniert, dessen umformtechnische Fertigung zu realisieren sowie eine vibro-akustische Optimierung der Bauteilgeometrie vorzunehmen.

Um die viskoelastischen Eigenschaften anzupassen, wurde der Kunststoffkern des Verbundes mit Elastomerrecyklat aus Altreifen modifiziert. Mittels eines variothermen Pressprozesses wurden die extrudierten Kerne zu einem Verbund verpresst. Dieser wurde statisch und dynamisch charakterisiert. Durch die Modifikation des Kernes konnten die Materialkosten für den Verbund bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum unmodifizierten Verbund, um bis zu 17 % reduziert werden.

Die Umformeigenschaften des entwickelten Verbundes wurden in Grundlagenversuchen analysiert und auf skalierte anwendungsnahe Geometrien übertragen.

Es wurde nachgewiesen, dass eine Umformung mit den etablierten Verfahren der Blechumformung bei Raumtemperatur möglich ist. Zur Auslegung der Umformprozesse wurden Simulationsmodelle erstellt und validiert. Dabei wurden verschiedene Modellierungsvarianten gegenübergestellt. Für den entwickelten Verbund wurde mit der Schale-Volumen-Schale Modellierung der beste Kompromiss zwischen Rechenzeit und Genauigkeit erzielt. Die Vorhersage der Umformkräfte, Blechausdünnung sowie Rückfederung ist in guter Übereinstimmung mit dem Experiment möglich und erlaubt eine effiziente Auslegung der Umformprozesse. Die Vorhersage von Grenzflächenversagen ist eingeschränkt möglich.

Zur vibro-akustischen Optimierung der Bauteilgeometrie wurde ein effizienter Algorithmus zur Berechnung der abgestrahlten Schallleistung entwickelt und implementiert. Dieser basiert auf einer effizienten harmonischen Analyse durch ein hybrides Lösungsverfahren. Die Ergebnisse der akustischen Optimierung zeigen, dass höhere Deckblech- und Kerndicken zu einer Reduktion der abgestrahlten Schallleistung führen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass bei gleicher abgestrahlter Schallleistung das Leichtbaupotenzial durch eine Verringerung der Deckblechdicke und einer Erhöhung der Kerndicke, erhöht werden kann.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Reduktion der Schallabstrahlung durch gezielte Schubdämpfung in hybriden Metall-Kunststoff-Verbunden" wurde unter der Fördernummer AiF 17895BG 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 (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 446 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The aim of the project "Reduktion der Schallabstrahlung durch gezielte Schubdämpfung in hybriden Metall-Kunststoffverbunden", within the framework of industrial research and development (IGF), was the development and manufacturing of a new metal-plastic composite (MPC), which combines the properties of a lightweight sandwich sheet (high bending stiffness) and a noise reduction sandwich sheet (good damping properties). Furthermore, the forming behaviour and the vibro-acoustic optimisation of the part geometry were investigated.

The polymeric core material was modified with grinded waste tyres, also known as ground tyre rubber (GTR), to improve the viscoelastic properties. Due to the core modification, the material costs for the MPC were reduced significantly. The extruded core material is joined with the metal face sheets to the MPC in a variotherm pressing process. The mechanical properties of the developed MPC were analysed by quasi static and dynamic material testing. In consequence of the core modification the material costs of the composite with same mechanical properties, could be reduced by up to 17 %.

To determine the forming behaviour of the new material, basic forming experiments were used. The results were transferred to application-related geometries. It is proven, that the forming of the developed MPC is at room temperature with the common processes of sheet metal forming possible. FE-models for the forming simulation were developed and validated and are usable for an efficient process design. The prediction of the process forces and the thinning of the face sheets are in good agreement with the experiments.

For vibro-acoustic optimisation of the part geometry an efficient algorithm was developed and implemented.
The aims of the research project were achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Isotrope Metall-Kunststoff-Verbunde
2.2 Herstellung von Metall-Kunststoff-Verbunden
2.3 Umformung von Metall-Kunststoff-Verbunden
2.4 Vibro-akustische Analyse und Optimierung von Blechen
3 Forschungsziel
4 Lösungsweg
5 Herstellung und Charakterisierung der Einzelkomponenten
5.1 Kernmaterialien
5.2 Metallische Decklagen
6 Verbundherstellung
7 Statische und dynamische Charakterisierung des Gesamtverbundes
7.1 Statische Versuche
7.1.1 4-Punkt Biegeversuch
7.1.2 Kopfzugversuch
7.1.3 Scherzugversuch
7.2 Dynamische Charakterisierung
8 Umformeigenschaften des Gesamtverbundes
8.1 Zugversuch und FLC-Versuche am Verbundmaterial
8.2 Untersuchung des Abkantverhaltens des Verbundmaterials
8.3 Herstellung von Rechtecknäpfen zur Bewertung des Tiefziehverhaltens
8.4 Herstellung der anwendungsnahen Geometrien
9 Modellentwicklung für die Umformsimulation
9.1 Materialmodelle für die Einzelkomponenten
9.2 Modellierung der Verbundumformung ohne Grenzflächenversagen
9.3 Modellierung der Verbunde mit Grenzflächenversagen
10 Vibroakustische Analyse und Optimierung
10.1 Modellbildung
10.2 Experimenteller Abgleich der Moden
10.3 Berechnungsmethodik der Schallleistung
10.4 Experimentelle Ermittlung der abgestrahlten Schallleistung
10.5 Optimierung
11 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
12 Ergebnisse und Ausblick
13 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
14 Literatur
15 Anlagen
15.1 Anlage 1: Datenblatt Akulon® F136-C1 – PA6
15.2 Anlage 2: Datenblätter des verwendeten Altreifenrezyklats
15.3 Anlage 3: Datenblatt des verwendeten Strahlgutes
15.4 Anlage 4: Ergebnisse Abkantversuch
15.5 Anlage 5: Probengeometrie Schallleistungsmessung mittels Fensterprüfstand
15.6 Anlage 6: verwendete Materialpreise für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung