Untersuchungen zur Kompatibilisierungsmethode "Umformen" für unterschiedliche Metall-Nichtmetall-Systeme (PKA Kompatibilisierung)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neuartige Werkstoff- und Bauteilkonzepte mit funktionalen Eigenschaften sind erforderlich, um den Anforderungen aus Politik und Gesellschaft gerecht zu werden. Dabei bieten dreischichtige, symmetrische Sandwichverbunde auf Grund ihres strukturellen Aufbaus und ihres guten Dämpfungsverhaltens bei gleichzeitig hoher Festigkeit ein großes Leichtbaupotenzial und damit einen innovativen Ansatz für optimierte Halbzeuge und Bauteile. Dabei ist der Umformprozess „Tiefziehen" eines der wichtigsten Fertigungsverfahren für blechförmige Werkstoffe. Ein zentrales Problem bei der Konstruktion, den Fertigungs- und Umformprozessen von Sandwichsystemen ist die im Vergleich zu den monolithischen Werkstoffen schlechtere Umformbarkeit der Verbundpartner, die in der Regel stark unterschiedliche E-Moduli aufweisen. Des Weiteren ist die Haftung der verschiedenen Materialschichten immer noch eine kritische Größe und stellt gleichzeitig eine Herausforderung für die Umformung dieser Verbünde dar. Das schränkt den industriellen Einsatz derartiger Sandwichverbunde derzeit noch ein. Im Rahmen dieses Projektes bestand die Aufgabe in der Entwicklung, Herstellung, Untersuchung und Anwendung neuer Sandwichsysteme, die hinsichtlich ihrer Funktion und ihres Einsatzes ausgelegt werden können. Erst eine kombinierte Betrachtung der stofflichen und konstruktiven Komponenten kann zu systemorientierten Werkstoffen, Bauteilkonzepten und -Strukturen führen. Dazu wurden dreischichtige, symmetrische Sandwichverbunde gefertigt und anschließend auf ihre Eigenschaften bezüglich der Haftfestigkeit der Verbundpartner und des Umformverhaltens untersucht. Im dritten Jahr des Forschungsprojektes wurde das Tiefziehverhalten der unterschiedlichen Sandwichverbunde untersucht. In Anlehnung an die industrielle Sandwichfertigung wurden die zu untersuchenden Sandwichverbunde mit einer Folienkernschicht in einem Druck-Fügeverfahren und die Sandwichverbunde mit einer Granulatkernschicht im Pressverfahren hergestellt. Es kamen dabei faserverstärkte Polypropylengranulate zum Einsatz. Das in der vorherigen Projektphase noch verwendete Polyamidgranulat wurde aufgrund seiner sehr spröden Eigenschaften in dieser Projektphase nicht mehr verwendet. Als Deckbleche wurden Edelstahlbleche der Sorten 1.4404 und 1.4301 benutzt. Je nach Herstellungsverfahren wurde für die Polymerfolie ein Epoxidharzkleberbzw, für die Polymergranulate ein Haftvermittler eingesetzt. Die Reproduzierbarkeit der Fertigung konnte - wie schon in der ersten Projektphase - durch Winkelschälversuche nachgewiesen werden. Die Tiefzieheigenschaften der Sandwichverbunde wurden unter Variation der Niederhalterkraft und Tiefung in umfangreichen Näpfchen-Tiefziehversuchen ermittelt. Resultierende Schichtdicken wurden unter dem Mikroskop vermessen. Ebenfalls wurden dort auftretende Kernschichtfehler untersucht. Abschließend wurden unter Nutzung der Ergebnisse dieser Untersuchungen Tiefziehversuche mit einfachen Geometrien (quadratisch und oval) durchgeführt. Als praxisrelevantes Bauteil wurde ein Werkzeug für einen Federbeindom eingesetzt. Bei Einsatz beheizbarer Versuchswerkzeugen zeigte sich eine deutlich bessere Ausformung des Bauteils als bei Raumtemperatur. Dabei ist besonders auf die Temperaturführung des Tiefziehwerkzeugs und dem sich dabei ändernden Fließzustand des Polymers zu achten. Durch die Möglichkeit der Variation der Kernwerkstoffs, hierbei ist in Zukunft speziell an verstärkte (durch Keramikpartikel) Kernwerkstoffe zu denken, sowie durch die reproduzierbare Fertigung der Sandwichverbunde können bedarfsangepasste Verbundsysteme mit verbesserten Tiefzieheigenschaften entwickelt werden. Hierbei sind besonders die Art der Verstärkung der Kernschicht, die Umformtemperatur (Einfluss der Temperatur auf die Kernschicht) und auch die Umformgeschwindigkeit von besonderem Interesse. Im Rahmen weiterer Forschungsanträge sollen diese Einflussgrößen analysiert werden, um der Forderung nach funktionsgerechten und bedarfsangepassten Verbunden nachkommen zu können. Berücksichtigung finden muss hierbei die gesamte Fertigungskette. In weiterführenden Untersuchungen ist es vorgesehen, durch die Variation der Schichtdicken und der verwendeten Materialien Aussagen über die Abhängigkeiten untereinander treffen zu können und diese so miteinander zu verkoppeln, dass schließlich daraus ein Eigenschaftskatalog aufstellbar ist. Ein weiterer Entwicklungsund Untersuchungsschwerpunkt stellt die Fügung von und Krafteinleitung in Sandwichbauteilen dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Untersuchungen zum Umformverhalten von Metall-Nichtmetall-Sandwichverbunden; Innovationszentrum Ingenieur-Werkstoffe Hannovermesse 15.-20.04.2002
H. Palkowski, G. Lange
- Innovative Sandwichverbunde für den Leichtbau; TI 4 / 2003 Neue Materialien und Verfahren
H. Palkowski, G. Lange
- Sandwichverbunde für den Leichtbau; Kongress auf der INTERPART; Karlsruhe 2003
H. Palkowski, G. Lange
- Formgebungsuntersuchungen - Umformen von Leichtbauwerkstoffen aus austenitischen Metall- Polymer-Verbunden; Maschinenmarkt 43/2004, S.34-37
H. Palkowski, G.Lange
- "Austenitic Sandwich Materials in the Focus of Research"; 2nd International Conference on Deformation Processing and Structure in Materials 2005; ISBN 86-85195-06-3
H. Palkowski, G. Lange
- Austenitic Sandwich Materials in the Focus of Research; 2nd International Conference on Deformation Processing and Structure in Materials 2005 in Belgrad
H. Palkowski, G. Lange
- Beitrag zum Umformverhalten von dreischichtigen austenitischen Sandwichverbunden mit polymerer Kernschicht Leichtbau. Dissertation
Günther Lange
- Formgebungsuntersuchungen - Umformen an Leichtbauwerkstoffen aus austenitischen Metall- Polymer-Verbunden; FOKUS Produktionstechnik 01/2005, S.24-27
H. Palkowski, G.Lange
- Tiefziehen von austenitischen Metall-Polymer-Verbunden als Leichtbauwerkstoff; 2. Landshuter Leichtbau-Colloquium 25. - 26.02.2005
H. Palkowski, G. Lange
- „Tiefziehen von austenitischen Metall-Polymer-Verbunden als Leichtbauwerkstoff'; Tagungsband 2. Landshuter Leichtbau-Colloquium: ISBN 3-00-014861-2
H. Palkowski, G.Lange
- Herstellung und Umformverhalten austenitischer Polymerkern sandwichverbunde; Vortrag auf dem 9. Werkstofftechnischem Kolloquium in Chemnitz, 07.-08.09.2006
H. Palkowski, G. Lange
- Herstellung und Umformverhalten austenitischer Polymerkernsandwichverbunde; Tagungsband 9. Werkstofftechnischem Kolloquium in Chemnitz, 07.-08.09.2006; ISBN 3-00-019101-1
H. Palkowski, G.Lange
- Neuartige Sandwichverbunde - Entwicklung und Ausblick; Vortrag im Leichtbau-Forum auf der Messe „interpart", Karlsruhe, 10.10.2006
H. Palkowski, G. Lange
- Symposium zum DFG-Paketantrag „Kompatibiltsierungsmethoden"; Untersuchungen zur Kompatibilisierungsmethode „Umformen" für unterschiedliche Metall-Nichtmetall -Systeme; TU Clausthal, 16.11.2006
H. Palkowski, G. Lange
- Austenitische Polymerkernsandwichverbunde - Fertigung und Umformverhalten; Referat auf dem 3. Landshuter Leichtbau-Colloquium, Landshut. 22. - 23.02.2007
H. Palkowski, G.Lange
- Entwicklungen von Sandwichstrukturen mit CrNi-Deckschichten und unterschiedlichen Kernschichten; Vortrag; 16. Symposium „Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde" der DGM, Bremen, 16.-17.03.07
H. Palkowski, G.Lange
- Herstellung und Umformverhalten austenitischer Polymerkernsandwichverbunde; Materialwissenschaften und Werkstofftechnik, 2007, 38, Nr. 2. S. 85-89
H. Palkowski, G. Lange
- Latest development and characteristics of sandwich structures with sheet metal of CrNi-steel and core layer made of different polymers; Proceeding; TMS 2007 Annual Meeting & Exhibition, Orlando, Florida, February 25 th - March 1st 2007
H. Palkowski, G.Lange
- Latest development and characteristics of sandwich structures with sheet metal of CrNi-steel and core layer made of different polymers; Vortrag; IMS 2007 Annual Meeting & Exhibition, Feb. 25th - March 1st, 2007, Orlando, Florida
H. Palkowski, G.Lange
