Gezielte Einstellung gradierter Eigenschaften unter Nutzung der in-situ Hybridisierung zur Herstellung eigenschaftsoptimierter, thermoplastbasierter Faser-Metall Laminate
Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurde ein einstufiger Prozess für die endkonturnahe Herstellung von Faser-Metall-Laminaten mit komplexer Geometrie entwickelt. Die erste Förderperiode konzetrierte sich auf die Entwicklung des In-Situ Hybridisierungsprozesses, welcher das Tiefziehen mit dem Resin-Transfer-Molding kombiniert. Hierzu wurde die Interaktion von Fasergewebe und Metallblech während der Umformung experimentell und numerisch im Labormaßstab untersucht. Die Erkentnisse flossen in eine numerische Umformsimulation auf Bauteilebene ein, welche erste Einblicke in die relevanten Umformmechanismen bot. Dies ermöglichte die erfolgreiche Herstellung von Bauteilen mit dem kombinierten Tiefzieh- und RTM-Prozess mit niedrigviskoser thermoplastischer Matrix. Die Bauteile wurden durch Schneidscher- und Zugversuche bzgl. ihrer lokalen mechanischen Eigenschaften infolge des Umformprozesses charakterisiert. In der zweiten Förderperiode sollte die Machbarkeit zur Herstellung gradierter, belastungsangepasster Bauteile mit dem In-Situ Hybridisierungsprozess untersucht werden. Dafür wurden Ersatzversuche zum besseren Verständnis des Infiltrationsverhaltens und der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) durchgeführt. Neue Charakterisierungsmethoden wurden auf Halbzeugebene entwickelt und angewendet, wie der Picture-Frame Versuch mit überlagertem Querdruck und der FSI-Prüfstand zur experimentellen Bestimmung und numerischen Validierung der FSI. Mit den so gewonnen Kentnissen wurde ein hyperelastisches, Invarianten-basiertes Gewebematerialmodell entwickelt, welches die mehrachsigen Dehnungszustände während des Tiefziehprozesses, auch unter Druckbeanspruchung, abbilden kann. Die Faserdrapierung und -verschiebung ist insbesondere für die mechanischen Eigenschaften der Bauteile von Bedeutung. Für den Prozess können die Umformgrenzen des Gewebes genauer definiert werden, da die mehrachsigen Dehnungszustände das Umformvermögen des Textils herabsetzen, insbesondere in Radien unter biaxialer Zugbeanspruchung. Mit einem neu entwickelten Prüfstand zur Permeabilitätsmessung wurde der Einfluss der Faser- Metall-Umformung auf die Infiltration des Fasergewebes untersucht. Die Infiltration wird maßgeblich durch die hohe Faserkompaktierung infolge der Metallumformung beeinflusst. Mithilfe der weiterentwickelten numerischen Umformsimulation konnten der Faservolumengehalt und das Infiltrationsverhalten des Gewebes im Ersatzversuch und im In-Situ Hybridisierungsprozess vorhergesagt werden. In den hergestellten gradierten Bauteilen mit lokal variierender Lagenanzahl konnte der Einfluss der Faserkompaktierung in den Radien auf das Infiltrationsverhalten und die Faserverschiebung unter Druckbeanspruchung im Flanscheinzugsbereich sowohl beobachtet als auch modelliert werden. Durch die lokal unterschiedliche Lagenanzahl ist die Druckverteilung insbesondere im Niederhalterbereich ungleichmäßig, wodurch der Matrixfluss und die Blechdehnung gezielt kontrolliert werden können. Die Möglichkeit der Gradierung wird dadurch begrenzt, dass bei zu hohen lokalen Faserkompaktierungen keine ausreichende Infiltration der Gewebelagen möglich ist. Anhand der Erkenntnisse aus den gradierten Bauteilen sowie weiteren Parameteruntersuchungen konnte der Prozess aus der ersten Förderperiode verbessert und ein Prozessfenster für die verwendete Double-Dome-Geometrie festgelegt werden. Dabei hat sich gezeigt, dass aufgrund der starken Fluid-Struktur-Interaktion neben der Niederhalterkraft insbesondere die Viskosität und Ziehgeschwindigkeit einen großen Einfluss auf die Blechdehnung und Dickenverteilung der Gewebelagen haben. Anhand des in dem Projekt erlangten Prozessverständnisses wird eine Übertragbarkeit auf andere Geometrien und Materialien ermöglicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2018): Developments and Analyses of Alternative Processes for the Manufacturing of Fiber Metal Laminates, Volume 2: Materials; Joint MSEC-NAMRC-Manufacturing USA
Mennecart, T., Werner, H., Ben Khalifa, N., Weidenmann, K.A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1115/MSEC2018-6447) - (2019): Analysis of the Influence of Fibers on the Formability of Metal Blanks in Manufacturing Processes for Fiber Metal Laminates. JMMP, vol. 3, 2
Mennecart, T., Gies, S., Ben Khalifa, N., Tekkaya, A.E.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/jmmp3010002) - (2019): Location-Dependent Mechanical Properties of In-Situ Polymerized Three-Dimensional Fiber-Metal Laminates. In: Hausmann, J.M. (Ed.), 22nd Symposium on Composites
Werner, H.O, Stern, C., Weidenmann, K.A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.809.231) - (2019): Numerical modeling of a hybrid forming process for three-dimensionally curved fiber-metal laminates, Proceedings of the 22nd International ESAFORM Conference on Material Forming: ESAFORM 2019, p. 20019
Werner, H.O, Dörr, D., Henning, F., Kärger, L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5112524) - (2020): Material Modeling in Forming Simulation of Three-Dimensional Fiber-Metal-Laminates ‐ A Parametric Study, 23rd International Conference on Material Forming (ESAFORM 2020), pp. 154 – 161
Werner, H.O, Poppe, C., Henning, F., Kärger, L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.04.160) - (2020): Mechanical Properties of In-Situ Polymerized Fiber-Metal-Laminates. In: Hausmann, J.M., Siebert, M., Hehl, A. von, Weidenmann, K.A. (Eds.), Proceedings 4th International Conference Hybrid 2020 Materials and Structures
Werner, H.O, Liebig, W., Weidenmann, K.A.
- (2022): Investigation of the friction behavior between dry/infiltrated glass fiber fabric and metal sheet during deep drawing of fiber metal laminates. Prod. Eng. Res. Devel.
Kruse, M., Werner, H.O, Chen, H., Mennecart, T., Liebig, W.V, Weidenmann, K.A, Ben Khalifa, N.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11740-022-01141-y) - (2022): Towards 3D Process Simulation for In Situ Hybridization of Fiber-Metal-Laminates (FML). KEM, vol. 926, 1399–1412
Poppe, C.T, Werner, H.O, Kruse, M., Chen, H., Ben Khalifa, N., Henning, F., Kärger, L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/p-cr2tco)
