Materialcharakterisierung und Modellentwicklung von Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des DFG-AiF-Clusters „Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden“ erfolgte eine Kooperation zwischen dem hier vorgestellten Teilprojekt 3, dem zweiten grundlagenorientierten Teilprojekt (TP2) und den vier an die industrielle Anwendung orientierten Teilprojekten. Hierbei konnte aufgrund der unterschiedlichen Kernkompetenzen der einzelnen Institutionen sowie der am Projekt beteiligten Industriepartner eine interdisziplinäre Arbeitsweise stattfinden. Der regelmäßig stattgefundene Austausch von fachspezifischen Informationen führte zu einer engen Vernetzung zwischen den Instituten und den damit verbundenen Wissenschaftsgebieten. Der durch die Clusterbildung gewonnene Vorteil besteht, neben den zusätzlich erworbenen Erkenntnissen durch die Teilprojekte der Projektpartner, vor allem in der Nutzung institutsübergreifender Anlagentechnik. Auf diese Weise konnten Synergieeffekte bei der Bearbeitung der Einzelvorhaben genutzt werden, die sich ohne Clusterbildung nicht ergeben hätten. Das Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz Universität Hannover und das Institut für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung (SLK) der TU Chemnitz haben im Rahmen des Teilprojekts 3 auf dem Gebiet der Materialcharakterisierung und Modellentwicklung von unidirektionalen Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden (F-K/M-Verbund) in enger Zusammenarbeit geforscht. Hierbei wurden die Materialkennwerte mithilfe von verschiedenen Versuchstechniken in Prüflaboren der am Projekt beteiligten Forschungsinstitutionen experimentell bestimmt. Seitens des SLK wurde ein FE-Modell zur Berechnung des Materialverhaltens des F-K/M-Verbunds im Drei-Punkt- Biegeversuch erstellt und die zugehörige FE-Simulation durchgeführt. Beim Vergleich der numerischen und experimentellen Ergebnisse wurde eine hinreichend genaue Übereinstimmung zwischen den gemessenen und berechneten Kraft-Weg-Verläufen festgestellt. Folglich kann die hier entwickelte numerische Methodik bei der kraftgerechten Auslegung von hybriden Bauteilen eingesetzt werden. Desweiteren stand am IFUM die Entwicklung eines FE-Modells zur Umformsimulation von unidirektionalen F-K/M-Verbunden in symmetrischer Bauweise im Vordergrund der Forschung. Hierbei wurde durch den gegenseitigen Erfahrungsaustausch eine Vertiefung der Expertise der einzelnen Institute im Bereich der Materialcharakterisierung und Simulation erzielt. Weiterhin wurden am IFUM die Umformsimulationen zur Untersuchung des Umformverhaltens von UD-FKV durchgeführt. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Daten des Versuchsdemonstrators qualitativ verglichen. Hierbei konnte numerisch ein Einzugsverhalten in Faserrichtung und ein Ausquetschen des FKV quer zur Faserrichtung ermittelt werden, welches aufgrund der materialspezifischen Verformungskinematik des stark anisotropen UD-FKV zu erwarten war. Dadurch wurden wichtige erste Erfahrungen im Bereich der numerischen Untersuchung des Umformverhaltens von unidirektionalen F-K/M-Verbunden in symmetrischer Bauweise gesammelt und dem Projektkonsortium vorgestellt. Nach einer erfolgreichen quantitativen Validierung des FE-Modells zur Umformsimulation, wurde dieses bei der Berechnung eines Umformvorgangs zur Herstellung des hybriden Technologiedemonstrators verwendet. Hierbei handelt sich um einen skalierten hybriden Dachquerträger, der ein herkömmliches Bauteil unter dem Aspekt der Gewichtreduzierung und der verbesserten Bauteilperformance ersetzen soll. Dieser wurde innerhalb des TP5 hergestellt und zum Abgleich mit den Simulationsergebnissen zur Verfügung gestellt. Bei den numerischen Untersuchungen konnten die Faltenbildungen, die auch beim Realbauteil beobachtet wurden, identifiziert werden. Die qualitative Validierung der Simulationsergebnisse zur Bewertung des hier entwickelten FE-Modells wurde in enger Absprache mit dem Projektbearbeiter des TP5 durchgeführt. Hierbei wurde die entwickelte numerische Methodik zur Identifizierung der durch die Faltenbildungen stark beeinflussten Bauteilregionen, die während der Umformung von F-K/M-Verbunden in symmetrischer Bauweise auftreten können, als hinreichend genau bewertet. In weiteren numerischen Untersuchungen innerhalb der Projektbearbeitung des TP3 wurden die Umformsimulationen für eine nachfolgende Werkzeugoptimierung durchgeführt. Hierbei wurden zwei weitere Werkzeugkonzepte untersucht, deren Entwicklung innerhalb der Projektbearbeitung des TP5 erfolgte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Customized Metal/Composite Hybrids for Automotive Applications. In: Tagungsband AutoMetForm/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.
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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, Trans Tech Publications, Switzerland, Conference Material Forming ESAFORM 2015, Graz
Behrens, B.-A.; Vucetic, M.; Neumann, A.; Osiecki, T.; Grbic, N.
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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.
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Umformprozessketten für Bauteile aus Faser- Kunststoff/Metall-Verbunden, Tagungsband T 40 des 35. EFB-Kolloquiums Blechverarbeitung 2015, Bad Boll, ISBN 978-3-86776-452-0
Scholz, P.; Schieck, F.; Müller, R.; Seidlitz, H.; Gerstenberger, C.; Osiecki, T.; Vucetic, M.; Grbic, N.; Neumann, A.; Behrens, B.-A.
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Validation of the FEA of a Sheet Metal Forming Process of Composite Material and Steel Foil in Sandwich Design, Applied Mechanics and Materials Vol. 794 (2015) pp 75-80, Trans Tech Publications, Switzerland, 2015 WGP Congress, Hamburg, Germany
Behrens, B.-A.; Bouguecha, A.; Vucetic, M.; Neumann, A.; Osiecki, T.; Grbic, N.
