Fügen von Metall- und Faserkomponenten auf Basis der Semi-Solid-Formgebung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsvorhaben fokussierte die Entwicklung eines neuartigen Fügeverfahrens (J.O.C.A. = Joining of Carbon and Aluminium Structures) zum Verbinden von Aluminium- und Kohlenstofffaserstrukturen. Ziel war hierbei die direkte Verbindung eines blechförmigen Halbzeugs mit einem Kohlenstofffasertextil, die durch eine dem Widerstandspunktschweißen ähnliche Applikation realisiert werden sollte. Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten konnte zunächst eine Erwärmungsregelung entwickelt werden, die weitestgehend unabhängig von Blechdicke und Faserhalbzeug eine reproduzierbare Durchführung des J.O.C.A.-Fügeverfahrens ermöglichte. Weiterführende Untersuchungen konnten somit auf die Bestimmung von Prozessgrenzen des Verfahrens und die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Parametern fokussiert werden. Während die geringe Kühlleistung der verwendeten Versuchsanlage Gleeble 3800c die Untersuchung der Materialkombination Stahl-Kohlenstofffasern verhinderte, konnte die Materialkombination Aluminium-Kohlenstofffasern mit verschiedenen Legierungen erfolgreich umgesetzt werden. Auf Seiten des metallischen Fügepartners kamen verschiedene Blechdicken (0,25 - 2,00 mm) erfolgreich zum Einsatz, jedoch stellte die Verwendung mehrlagiger Gewebeschichten zunächst eine große Herausforderung dar. Diese verursachten einen zu großen Fließwiderstand, so dass die teilflüssige Aluminiummatrix aus der Fügezone hinausgedrückt wurde. Ansätze mit Aluminiumzwischenlagen zur Verkürzung des Infiltrationsweges oder die Verwendung einer Klemmvorrichtung zur Lenkung des Matrixflusses waren hierbei nicht zielführend. Letztendlich konnte festgestellt werden, dass die Infiltration von mehreren Gewebelagen eine geeignete, d. h. relativ offene Gewebestruktur voraussetzt. Im Zuge dessen konnten unter Verwendung eines geeigneten Textilhalbzeugs über 20 Gewebelagen mit Aluminium verbunden werden, wodurch die Nutzung industrieüblicher Gewebestrukturen (7-11 Lagen) möglich ist. Dabei zeigte sich, dass die Prozesszeit neben der gewählten Heizleistung auch von der Anzahl an Gewebelagen sowie der gewählten Fügekraft abhängt. Während das Hinzufügen von Gewebelagen die Prozesszeit erhöht, wird diese durch eine Erhöhung der Elektrodenklemmkraft reduziert. Zudem konnte die konduktive Erwärmung des Lagenpakets aus metallischen und textilen Halbzeugen simuliert werden, sodass in Abhängigkeit von Elektrodengeometrie, Elektrodenwerkstoff und Heizleistung die Erwärmungszeit abgeschätzt werden kann. Zudem gelang es, die Infiltration eines vereinfachten Gewebeausschnitts zu modellieren und dadurch Vorhersagen über die in der Fügezone verbleibende Blechdicke treffen zu können. Die durchgeführten Materialcharakterisierungen verdeutlichten, dass die Verbindung für Schälbeanspruchungen nur schlecht geeignet ist und unter derartigen Beanspruchungen frühzeitig versagt. In Zugbzw. Scherzuglastfällen weist die J.O.C.A.-Verbindung hingegen großes Potenzial auf. Hier konnte einer Festigkeit von knapp 40 MPa konventionelle Klebstoffen erzielt und somit die Festigkeit konventioneller Klebstoffe, die zum Fügen von Metall und CFK-Werkstoffen genutzt werden, übertroffen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Basic investigations on joining of metal and fibre components based on the semi-solid forming process. ESAFORM 2015, Graz (2015)
Marx, L., Liewald, M., Riedmüller, K.R.
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Further Development on Joining of Metal and Fibre Components Using Semi-Solid Forming Technology, KMUTNB: International Journal of Applied Science and Technology, (2016) Vol. 9, No. 2, Seiten 113-120
Liewald, M., Marx, L.
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Investigations on Joining Aluminium Sheet Metals and Carbon Fabrics based on the Semi-Solid Forming Technology. ICAutoC 2016, Lissabon (2016)
Marx, L., Liewald, M.
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Semi-Solid Joining of Aluminium and Carbon Fabric, 1st Cirp Conference on Composite Materials Parts Manufacturing, Karlsruhe (2017)
Marx, L., Liewald, M.
