Beanspruchungsgerechte Gestaltung von Lasteinleitungen für im Schleuderverfahren hergestellte hybride Leichtbauwellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Fleischer
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Kunststofftechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255536407

Leichte Wellen, Rohre und Profile werden nach den Grundsätzen des Form- und Stoffleichtbaus häufig als Hohlstrukturen aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) ausgeführt. Für Bereiche des Bauteils, in denen eine hohe Funktionsdichte herrscht, sind FVK jedoch ungeeignet. In der Getriebetechnik sind beispielsweise Anschluss- und Befestigungselemente, wie Zahnräder, Lagerungen oder Gewinde für Wellenmuttern, metallisch auszuführen. Im Sinne des Multi-Material-Designs sind für derartige Anforderungen Hybridbauteile zielführend, welche aus einer hohlen CFK-Grundstruktur und lokalen Metallelementen bestehen. Die Herstellung derartiger Hybride wird durch das Schleuderverfahren ermöglicht.Das Schleuderverfahren ist ein Fertigungsprozess für FVK-Metall-Hybride, bei dem spanend bearbeitete Metallelemente mit einer trockenen Endlosfaserstruktur vormontiert und in eine Werkzeugform eingelegt werden, woraufhin diese verschlossen wird. Nachdem der Innenraum des Werkzeugs mit Harz befüllt wurde, startet die Rotation mit hohen Drehzahlen. Die Faserstruktur wird daraufhin aufgrund der Fliehkraft infiltriert und ausgehärtet. Durch diese kurzen Fließwege lassen sich Taktzeiten im Bereich von wenigen Minuten realisieren. In der ersten Förderperiode des SPP1712 wurde ein Prozessmodell für die Imprägnierung beim Schleuderverfahren entwickelt und experimentell validiert sowie Prozessgrenzen bestimmt. In der zweiten Förderperiode soll der Übergangsbereich von FVK zum Metall (sog. Lasteinleitungsbereich) im Fokus der Arbeit stehen. Aufgrund der intrinsischen Fertigung - also dem Fügen durch den urformenden Prozess der Infiltration - überlagern sich im Lasteinleitungsbereich die Mechanismen zur Kraftübertragung aus form-, kraft- und stoffschlüssigen Anteilen. Der Einfluss der einzelnen Übertragungsmechanismen auf die Gesamtverbindung ist für rotationssymmetrische Bauteile bisher unbekannt. Zu diesem Zweck sollen die Schlussarten einzeln betrachtet werden, um daraus das Gesamtverhalten verstehen zu können. Dieses Wissen fließt anschließend in ein Simulationsmodell zur Optimierung des Lasteinleitungsbereichs ein, bei dem der Einfluss der drei Schlussarten gezielt eingestellt und somit eine Gewichtsersparnis erreicht werden kann.Um die Reproduzierbarkeit von Proben sicherzustellen, wird eine Montage-Station aufgebaut, auf der die bisher manuelle Montage der trockenen Endlosfaserstruktur mit den metallischen Elementen automatisiert erfolgt. Mit der Montage-Station kann außerdem der Einfluss von Füge- und Drapiereffekten auf die Verbindungsfestigkeit wiederholbar untersucht werden. Das Simulationsmodell zur Optimierung des Lasteinleitungsbereichs soll schließlich experimentell validiert werden, wobei die Güte der Simulation durch die Validierung iterativ verbessert wird. Aus den Ergebnissen lässt sich eine Richtlinie ableiten, anhand welcher Anwender die Gestaltung und Auslegung von im Schleuderverfahren hergestellte FVK-Metall-Hybridverbindungen ermöglicht wird.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1712: Intrinsische Hybridverbunde für Leichtbautragstrukturen - Grundlage der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung