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EFB-Forschungsbericht Nr. 302

Entwicklung eines Stahlblech-Mehrschichtverbundes mit textiler Einlage für Anwendungen in den Bereichen Transportsysteme und Consumerartikel

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Planck, Dr.-Ing. Thomas Stegmaier, Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf - Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald MBA, Dr.-Ing. Stefan Wagner, Institut für Umformtechnik Universität Stuttgart - Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Wirt.-Ing. Dominik Teutenberg, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

204 Seiten (sw, 244 teils farbige Abb, 52 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-337-0

Preis (Digital) EUR 68,00

Preis (Print) EUR 76,00

Zusammenfassung

Verbundstoffe auf Basis textiler Komponenten als auch Blechverbunde mit Kunststoffeinlage sind seit vielen Jahren in technischen Anwendungen im Einsatz. Sie zeichnen sich allgemein durch ein geringes spezifisches Gewicht aus. Jedoch erfüllen sie nicht oder nur teilweise Eigenschaftskombinationen wie hohe Steifigkeit bei gleichzeitiger Schwingungsdämpfung und Tiefziehbarkeit.

Diese Lücke schließt der neue Stahlblech-Mehrschichtverbund bestehend aus zwei Hüllschichten aus Metall und einer Kernschicht, die sich als textile Konstruktion durch ein großes, einstellbares Porenvolumen bzw. durch ein geringes spezifisches Gewicht, durch einstellbare Dehnbarkeit, eine wählbare Dicke als auch einstellbare Kompressibilität auszeichnet. Diese Schichten sind mit einem Klebstoff verbunden, dessen Eigenschaften sich insbesondere an dem Anforderungsprofil der Anwendung orientieren.

Im Projekt wurde gezeigt, dass sich der Stahlblech-Mehrschichtverbund durch eine hohe Biege- und Schersteifigkeit bei großer Schwingungsdämpfung aus, bei geeigneter Kernschicht-Konstruktion und durch angepasste Klebstoffauswahl auch durch eine günstige Tiefziehbarkeit auszeichnet. Die Textilschicht ermöglicht die bislang nicht erzielbare Kombination aus hoher Verformbarkeit mit Steifigkeit und hoher Körperschalldämpfung.

Das Konstruktionsprinzip des neuen Verbundstoffs mit dem Dreischichten-Aufbau beinhaltet viele konstruktive Variablen, so dass der Werkstoff den Anforderungen im Hinblick auf die technischen Leistungen und der Ökonomie angepasst werden kann.

Bei der Herstellung wird die Sandwich-Struktur unter Druck und Temperatur ausgehärtet. In den Arbeiten konnte gezeigt werden, dass dieses Verfahren für eine Großserienproduktion geeignet ist, da die einzelnen Werkstoffe endlos in eine Fertigungslinie eingeführt werden können und erst an dessen Ende die Ablängung der Bleche stattfinden muss.

Bei der Bearbeitung von Halbzeugen des neuen Werkstoffes hat sich neben dem mechanischen Abschlagen vor allem das Wasserstrahlschneiden bewährt.

Zur Auslegung und Optimierung umformtechnischer Prozesse erfolgte die Ermittlung von relevanten Werkstoffkennwerten im einachsigen Zugversuch als auch in Tiefziehversuchen. Durch die Analyse von vielen Einzelversuchen konnte dabei der Arbeitsbereich des neuen Werkstoffes anschaulich in Diagrammform dargestellt werden.

Neben den mechanischen Vorteilen des Mehrschichtverbundes steht die Schalldämpfung im Fokus der besonderen Vorteile. Während reine Bleche den Schall praktisch ungemindert weiterleiten, führt die Entkopplung der beiden Blechlagen im Verbund zur erwünschten Körperschalldämpfung. Da eine Delamination des Verbundes nicht immer visuell feststellbar ist wurden zerstörungsfreie Prüfungen durchgeführt. Hierbei wird eine Prüfoberfläche thermisch angeregt und der sich einstellende Wärmefluss mit einer Infrarotkamera aufgezeichnet und bewertet.

Im Hinblick auf die Verarbeitung wurden neben weiteren mechanischen Eigenschaften insbesondere verschiedene Fügeverfahren analysiert und bewertet, sowie Alterungsuntersuchungen durchgeführt.

Insgesamt betrachtet konnte aufgezeigt werden, dass die Mehrschicht-Verbundwerkstoffe mit textiler Einlage eine neue Klasse von Leichtbaumaterialien darstellen, die Potential für eine Vielzahl von Anwendungen bieten. Ein herausragendes Merkmal der Mehrschicht-Verbunde ist die Anpassungsfähigkeit auf die Anwendung durch die Kombination der Materialien.

Das Forschungsvorhaben „Entwicklung eines Stahlblech-Mehrschichtverbundes mit textiler Einlage für Anwendungen in den Bereichen Transportsysteme und Consumerartikel“ wurde unter der Fördernummer AiF 223ZN/1 durch das Forschungskuratorium Textil e.V. und von der EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V.) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 302 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1. Zusammenfassung
2. Wissenschaftliche, technische und wirtschaftliche Problemstellung
3. Stand der Technik
4. Forschungsziel und Lösungsweg
4.1. Forschungsziel
4.2. Lösungsweg
5. Eingesetzte Materialien
5.1. Stahlbleche
5.2. Klebstoffe
5.3. Textileinlagen
6. Arbeiten am ITV Denkendorf
6.1. Prüfverfahren zur Ermittlung signifikanter Werkstoffkennwerte
6.1.1. Kraft-Dehnungsverhalten
6.1.2. Druckprüfung
6.1.3. Biegesteifigkeit
6.1.4. Delamination
6.1.5. Körperschalldämpfung
6.1.6. Wärmeleitfähigkeit
6.1.7. Durchschlagfestigkeit / Energieaufnahmevermögen
6.1.8. Thermographische Untersuchungen
6.2. Eingesetzte Anlagen zur Verbundherstellung
6.3. Ergebnisse aus der numerischen Simulation
6.3.1 Angewandte Methoden
6.3.2 Ergebnisse der  Kennwertermittlung
6.3.3 Ergebnisse der Simulationen
6.4. Entwicklung der Verbundmaterialien
6.4.1. Basisanalysen
6.4.1.1. Entwicklung der Verbunde
6.4.1.2. Versuchsergebnisse und  Werkstoffkennwerte
6.4.2. Anwendungsbezogene Verbundentwicklung für den Automobilbereich
6.4.2.1. Analysen zur Klebstoffdicke
6.4.2.2. Auswahl der Werkstoffe und Verbunde
6.4.2.3. Versuchsergebnisse und Werkstoffkennwerte
6.4.3. Optimierte Verbundwerkstoffherstellung für den Automobilbereich
6.4.3.1. Herstellung der Verbundbleche
6.4.3.2. Versuchsübersicht
6.4.3.3. Versuchsergebnisse und Werkstoffkennwerte
6.4.4  Anwendungsbezogene Verbundentwicklung für den Schiffsbau
6.5. Zusammenfassung
7. Forschungsergebnisse IFU Stuttgart
7.1. Versuchsmaterialien
7.2. Vorgehensweise
7.2.1 Einachsiger Zugversuch
7.2.2 Umformverhalten
7.2.2.1 Hydraulischer Tiefungsversuch
7.2.2.2 Erichsen-Prüfung
7.2.2.3 Biegeversuch
7.2.2.4 Tiefziehen eines Rechteckteils : Verfahrensgrenzen
7.2.2.5 Modifizierter Duncan-Shabel Test
7.2.3 FEM-Simulation
7.3. Versuchsergebnisse
7.3.1 Mehrschichtverbunde mit Blechwerkstoff EN 10202 (1.0385) als Basisblechwerkstoff
7.3.1.1 Mechanische Eigenschaften
7.3.1.2 Hydraulisches Tiefen
7.3.2 Mehrschichtverbunde mit Blechwerkstoff EN 10202 (1.0379) als Basisblechwerkstoff
7.3.2.1 Mechanische Eigenschaften
7.3.2.2 Tiefziehen des rotationssymmetrischen Napfes: Erichsen-Prüfung
7.3.2.3 Biegeversuche
7.3.2.4 Ermittlung der Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen des Rechteckteils
7.3.2.5 FEM-Simulation des Mehrschichtverbunde mit Textileinlagen
7.3.3 Mehrschichtverbunde mit Blechwerkstoff EN 10202 (1.0338) als Basisblechwerkstoff
7.3.3.1 Mechanische Eigenschaften
7.3.3.2 Verfahrensgrenzen beim Tiefziehen des Rechteckteils
7.3.4 Mehrschichtverbunde mit  Blechwerkstoffe 1.4571 und 1.3964
7.3.4.1 Umformung der Mehrschichtverbunde mit Blechwerkstoff 1.3964 als Basisblechwerkstoff: Duncan-Shabel Test
8. Forschungsergebnisse LWF Paderborn
8.1. Ermittlung relevanter Kennwerte: Schälzug- und Scherzugprüfung der hergestellten Mehrschichtverbunde
8.1.1 Untersuchungen an Mehrschichtverbunden mit Glasfaser-Einlage
8.1.2 Untersuchungen an Mehrschichtverbunden mit PES-Einlage
8.2. Untersuchungen zum Einfluss einer Alterung auf die mechanischen Eigenschaften der Mehrschichtverbunde
8.3. Makroskopische Untersuchungen tiefgezogener Mehrschichtverbunde
8.4. Untersuchungen zur Fügbarkeit von Mehrschichtverbunden
8.4.1 Halbhohlstanznieten
8.4.10 Übersicht von Prüfkraftmaxima und Energieaufnahme beim Schälzug
8.4.2 Clinchen ohne Schneidanteil
8.4.3 Clinchen mit Schneidanteil
8.4.3 Blindnieten
8.4.4 Loch- und gewindeformendes Verschrauben
8.4.5 Widerstandspunktschweißen
8.4.6 Kleben
8.4.7 Blindnietkleben
8.4.8 Zusammenfassung
8.4.9 Übersicht von Prüfkraftmaxima und Energieaufnahme beim Scherzugversuch
9. Umsetzung der Forschungsergebnisse in die Praxis
9.1. Erstellung von Prototypen
9.2. Vorträge und Publikationen
10. Diskussion und Ausblick
11. Wirtschaftliche Bedeutung für kleine und mittlere Unternehmen
12. Durchführende Forschungsstellen
13. Danksagung
14. Literaturverzeichnis