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EFB-Forschungsbericht Nr. 496

Untersuchungen zur Werkzeugtechnologie für schnelle Umform-/Fügeprozesse für die Herstellung von thermoplastbasierten Blech-FKV-Hybridbauteilen

efb496

Verfasser:
Dipl.-Ing. Sven Bräunling, Prof. Dr.-Ing. Alexander Brosius, Professur für Formgebende Fertigungsverfahren am Institut für Fertigungstechnik, Technische Universität Dresden

142 Seiten (sw, 91 teils farbige Abb., 20 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-548-0

Preis (Digital) EUR 75,00

Preis (Print) EUR 85,00

Zusammenfassung

Hybridbauteile, bestehend aus der Kombination von Faserkunststoffverbunden (FKV) und Blech können im Sinne des Leichtbaus und der Funktionsintegration die Vorteile von zwei Materialdomänen kombinieren und gleichzeitig spezifische Nachteile minimieren.
Die Verwendung von thermoplastischen Matrixwerkstoffen für den FKV ermöglicht eine sehr schnelle und einfache Prozessführung. Durch die direkte Verarbeitung von hybridgarnbasierten textilen Halbzeugen in einem einstufigen Prozess kann die Zwischenstufe Organoblech eingespart werden und gleichzeitig eine bessere Umformbarkeit des textilen Halbzeuges genutzt werden.
Allerdings wird dazu eine variotherme Prozessführung erforderlich.

Ziel des Forschungsprojektes ist deshalb die Erarbeitung einer geeigneten Werkzeugtechnologie für schnelle variotherme Umform-/Fügeprozesse für die Herstellung von thermoplastbasierten Blech-FKV-Hybridbauteilen. Dabei sollen die zwei Fragestellungen beantwortet werden: „Wie schnell kann der Prozess gestaltet werden?" und „Wie schnell darf der Prozess gestaltet werden?". Zum Erreichen dieser Forschungsziele werden nach einer Definition des Anforderungsprofils an Prozesskette, Werkzeug und Hybridbauteil gemeinsam mit Vertretern aus der Industrie in einem ersten Schritt geeignet erscheinende Heiz- und Kühlstrategien recherchiert, gegenübergestellt und bewertet.

Exemplarisch werden interessante Ansätze an kleinen Probengeometrien experimentell untersucht (z. B. direkte Widerstandserwärmung mit CF- basierten textilen Halbzeugen) oder durch Abbildung und Nachrechnung mittels FE- Methoden näher betrachtet. Dabei werden Vor- und Nachteile diskutiert, Grenzen aufgezeigt und zugehörige Fertigungsverfahren erläutert sowie mögliche Werkzeugwerkstoffe verglichen. Ebenfalls werden die mechanischen und thermischen Werkstoffkennwerte aller betrachteten Werkstoffkombinationen und Peripheriematerialien ermittelt.

Zur Durchführung experimenteller Untersuchungen wird ein Versuchsstand mit einer einfachen Werkzeuggeometrie ausgelegt, berechnet und aufgebaut. Mit diesem wird ein Versuchsprogramm zur Bestimmung der Prozessgrenzen durchgeführt. Für eine genaue Temperaturmessung zwischen den einzelnen Lagen des Hybridverbundes wird eine geeignete Methode mit „verlorenen" Temperaturmessfühlern erarbeitet.

In iterativer Vorgehensweise werden die Verbundeigenschaften der jeweiligen Hybridverbünde mittels zerstörungsfreier und zerstörender Prüfung untersucht und ihren Prozessparametern zugeordnet. Für die Ermittlung der zulässigen Prozessfenster werden dabei Faserbenetzung, Oberflächenausbildung und Verbundhaftung bewertet.
Gleichzeitig erfolgt ein Abgleich zwischen Versuchsdaten, Thermografiemessungen und FE-Berechnung zur Validierung der Methoden.

Zur Untersuchung der Eigenschaftsbeeinflussung der Hybridverbunde durch den schnellen Prozess werden durch Thermogravimetrie Grenzen für Oxidation und Degradierung ermittelt, die Dynamische Differenzkalorimetrie beschreibt durch die Bestimmung von Umwandlungsenthalpien die Verarbeitungshistorie und Kristallinität des thermoplastischen Matrixwerkstoffes.

Es wird gezeigt, dass sich die Kristallinität mit der Abkühlgeschwindigkeit ändert. Zur erweiterten Beschreibung wird eine erweiterte Methode unter Zuhilfenahme der Flash-DSC vorgeschlagen und in ersten Versuchen gezeigt.

Mit der Auslegung, Konstruktion und FE- Berechnung eines Demonstrators mit den validierten FE- Methoden, der Berechnung möglicher Zykluszeiten werden die erzielten Forschungsergebnisse und entwickelten Strategien industrienah angewendet. Mit einer vergleichenden Betrachtung des Einsparpotentials werden die Projektergebnisse zusammengefasst.
Das Ziel des Forschungsprojekts wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Untersuchungen zur Werkzeugtechnologie für schnelle Umform-/Fügeprozesse für die Herstellung von thermoplastbasierten Blech-FKV-Hybridbauteilen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 1805BR 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. 496 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Hybrid components, consisting of a combination of fibre-reinforced plastic (FRP) and sheet metal, can combine the advantages of two material domains in terms of lightweight construction and functional integration, while at the same time minimizing specific disad-vantages. The use of thermoplastic matrix materials for the FRP enables very fast and simple process control. By directly processing hybrid yarn-based textile semi-finished products in a single-stage process, the intermediate stage of composite sheet can be saved and at the same time better formability of the textile semi-finished product can be used.

However, this requires variothermal process control. The aim of the research project is therefore to develop a suitable tool technology for fast variothermal forming and joining processes for the manufacture of thermoplastic-based sheet metal-FRP hybrid components. Two questions are to be answered: "How fast can the process be designed?" and " How fast is it permitted to process?
In order to achieve these research goals, the first step is to research, compare and evaluate heating and cooling strategies that appear to be suitable after defining the requirements profile for the process chain, tool and hybrid component together with representatives from industry. Examples of interesting approaches are investigated experimentally on small sample geometries (e.g. direct resistance heating with CF-based textile semi-finished products) or by illustration and recalculation using FE methods. Advantages and disadvantages are discussed, limits are pointed out and associated manufacturing processes are explained and possible tool materials are compared. The mechanical and thermal material properties of all considered material combinations and peripheral materials are also determined.

A test stand with a simple tool geometry will be designed, calculated and constructed for experimental investigations. This is used to perform a test program to determine the process limits. For an exact temperature measurement between the individual layers of the hybrid composite, a suitable method with "lost" temperature sensors is developed. In an iterative procedure, the composite properties of the respective hybrid composites are examined by means of non-destructive and destructive testing and assigned to their process parameters. Fiber wetting, surface formation and composite adhesion are evaluated to determine the reliable process windows. At the same time, test data, thermographic measurements and FE calculations are compared to validate the methods.

To investigate the influence of the fast process on the properties of the hybrid composites, limits for oxidation and degradation are determined by thermogravimetry. Dynamic differential calorimetry describes the processing history and crystallinity of the thermoplastic matrix material by determining conversion enthalpies. It is shown that the crystallinity changes with the cooling rate. For a more detailed description, an extended method with the aid of Flash DSC is proposed and shown in first experiments.

With the design, construction and FE calculation of a demonstrator with the validated FE methods, the calculation of possible cycle times, the achieved research results and devel-oped strategies are applied to industry. With a comparative consideration of the savings potential the project results are summarized.
The goal of the research project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Zusammenfassung
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation und Problemstellung
1.1.1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
1.1.2 Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU
1.2 Wissenschaftlich-technischer Ansatz
1.2.1 Stand der Forschung und Entwicklung
2 Forschungsziel
3 Angestrebte Forschungsergebnisse
4 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse
4.1 Definition des Anforderungsprofils an Prozesskette, Werkzeug und Bauteil
4.2 Analyse variothermer Heiz- und Kühlstrategien
4.2.1 Mögliche Temperiersysteme für variotherme Werkzeuge
4.2.2 Schlussfolgerungen für die weitere Projektbearbeitung:
4.2.3 Mögliche Werkzeugwerkstoffe für variotherme Werkzeuge
4.2.4 FEM- Simulationen zur Bewertung von Heiz- und Kühlstrategien
4.3 Ermittlung von Werkstoffkennwerten
4.3.1 Thermische Materialkennwerte:
4.3.2 Betrachtete Werkzeugwerkstoffe:
4.3.3 Textiles Halbzeug / FKV:
4.3.4 Vorversuch zu direkter Widerstandserwärmung mit CF-basierten textilen Halbzeugen:
4.3.5 Werkzeugauslegung und Verifikation mittels FEM
4.4 Experimentelle Untersuchungen zu geeigneten Werkzeugtechnologien
4.4.1 Versuchswerkzeug
4.4.2 Überprüfung des variothermen Temperierverhaltens des aufgebauten Werkzeuges mittels Thermografiemessung:
4.4.3 Vorgehensweise bei der Temperaturmessung:
4.4.4 Versuchsdurchführung zur Ermittlung maximaler Aufheiz- und Kühlraten:
4.4.5 FE-Simulationen zum Abgleich mit Experimenten:
4.5 Eigenschaftscharakterisierung der Hybridbauteile
4.5.1 Zerstörungsfreie Prüfung:
4.5.2 Zerstörende Prüfung:
4.5.3 Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC):
4.5.4 Thermogravimetrische Analyse (TGA):
4.6 Experimentelle Untersuchungen zur Eigenschaftsbeeinflussung
4.7 Anwendung der entwickelten Strategien an einem Demonstratorbauteil
4.7.1 Geometrieabstimmung Bauteildemonstrator
4.7.2 Auslegung eines Demonstratorwerkzeuges mit FE- Methoden
4.7.3 Überschlägige Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
4.8 Gestaltungsempfehlungen für Werkzeug und Prozess
5 Ergebnisse und Ausblick
6 Wissenschaftlicher-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Projektergebnisse
7 Innovativer Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeiten der Forschungsergebnisse
8 Literatur