Design and manufacture of fibre reinforced plastic/metal composites with low residual stress
Final Report Abstract
Ziel des Teilprojektes (TP) 2 des DFG-AiF-Clusters war die Herstellung von hochwertigen, eigenspannungsarmen Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden. Im Mittelpunkt standen dabei neben der Ermittlung der optimalen Prozessführung bei der Herstellung von Hybridlaminaten und Faser-Kunststoff-Verbunden Untersuchungen zur Interface Haftung zwischen den metallischen Deckschichten und dem Kunststoff-Kern. Anschließend wurden die neuartigen Hybridlaminate hinsichtlich der Verbundstruktur charakterisiert und die numerische Beschreibung des Spannungsverlaufes dargestellt. Die Materialauswahl und belastungsgerechte Auslegung der Faser-Kunststoff/Metall-Verbunde (FK/MV) wurde in enger Zusammenarbeit mit den Teilprojekten 1 (Bauweisenkonzepte von Hybridstrukturen), 3 (Umformsimulation), 4 (Umformgrenzen) und 5 (Umform-Prozessketten) des DFG-AiF Clusters durchgeführt. Als metallische Deckschichten wurden höherfeste Stahlbleche zum Kaltumformen (HC260+LAD, t = 1,00 mm und HC220Y+ZE, t = 0,25 mm) und ein naturharter AlMg- Standardwerkstoff für den Fahrzeugbau (EN AW 5182, t = 0,20 mm) eingesetzt. Als Kernwerkstoff wurde kohlenstoff- und glasfaserverstärktes Polyamid 6, in Form von verschiedenen Prepreg-Systemen (Ce-Preg bzw. Celstran CFR-TP), verwendet. Im weiteren Verlauf wurden die optimalen Prozessparameter zur Herstellung von Organoblechen und FK/M-Verbunden ermittelt. Hierbei zeigte der Einsatz von nahezu vollständig imprägnierten Prepregs (Celstran CFR-TP) Vorteile bei der Energieeffizienz und den notwendigen Prozesszeiten. Um die Interfacehaftung der Laminate zu verbessern, wurden Maßnahmen zur Oberflächenvorbehandlung vorgenommen. Die große Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten (Δα) zwischen dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffkern und den metallischen Deckschichten wurde mit Hilfe von Pufferschichten reduziert, um belastungsfreie Delaminationen zu vermeiden. Um die Eignung der FK/MV für die kathodische Tauchlackierung zu belegen, wurden in Rahmen des Clusters Untersuchungen bei der Volkswagen Aktiengesellschaft durchgeführt. Um realitätsnahe Ergebnisse zu erhalten, durchliefen die Prüfkörper den vollständigen KTL-Serienprozess. Die Ergebnisse der Kurzbiegeversuche zeigen einen signifikanten Einfluss der Oberflächenvorbehandlung des Metalls auf die scheinbare ILS, wobei durch den Einsatz des Haftvermittlers mit rund 55 MPa die besten Ergebnisse erzielt wurden. Zudem fällt der positive Einfluss der eingesetzten Pufferschichten auf, der durch die Minderung des Wärmeausdehnungsgradienten Δα zwischen dem kohlenstofffaserverstärktem PA 6 und den metallischen Deckschichten entsteht. Alle Proben haben den KTL-Prozess ohne optische Beeinträchtigung überstanden. Auch die Kurzbiegeversuche bestätigen, dass ein Zusammenhalt der Hybridlaminate nach dem Aufbringen und Einbrennen der Kataphorese-Grundierung sichergestellt ist. Um das Materialverhalten zu charakterisieren wurden Organobleche aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) hergestellt und deren Faservolumengehalt, Zug-E-Modul und Zug-Festigkeit ermittelt. Neben den experimentellen Versuchen wurden auch numerische Berechnungen zur Ermittlung der Schubspannungen durchgeführt, welche bei thermischer Belastung von flächig verbundenen Körpern mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten entstehen. Somit konnte die Auslegung und Fertigung eigenspannungsarmer Faser-Kunststoff/Metall-Verbunde erfolgreich durchgeführt werden.
Publications
- Customized Metal/Composite Hybrids for Automotive Applications. In: Tagungsband AutoMet-Form/SFU 2014. New Materials for Vehicle Components. Freiberg: 03-05.11.2014, S. 29-36, ISBN 978-3-86012-490-1
Osiecki, T.; Seidlitz, H.; Gerstenberger, C.; Kroll, L.; Scholz, P.
- Bauweisenkonzepte und Auslegung von Krafteinleitungsbereichen bei Hybridstrukturen aus Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden im Fahrzeugbau. EFB-Forschungsbericht Nr. 417. Hannover: Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung (EFB) e.V., 2015. ISBN 978-3-86776-463-6
Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung (EFB)
- Behavior of Cathodic Dip Paint Coated Fiber Reinforced Polymer/Metal Hybrids. International Journal of Engineering Sciences & Research Technology. Volume 4, Issue 2 (2015), pp. 146-150
Osiecki, T.; Gerstenberger, C.; Seidlitz, H.; Hackert, A.; Kroll, L.
- Experimental Test and FEA of a Sheet Metal Forming Process of Composite Material and Steel Foil in Sandwich Design Using LS-DYNA. Key Engineering Materials Vols 651-653 (2015), pp, 439-445, ISBN 978-3-03835-471-0
Behrens, B.-A.; Vucetic, M.; Neumann, A.; Osiecki, T.; Grbic, N.
- Thermoplastic Fiber Reinforced/Metal-Hybrid Laminates for Structural Lightweight Applications. 23rd Annual International Conference on Composites/Nano Engineering (ICCE-23). Chengdu (China): 14.07.2015
Osiecki, T.; Gerstenberger, C.; Hackert, A.; Seidlitz, H.; Kroll, L.
