Auslegung und Fertigung eigenspannungsarmer Faser-Kunststoff/Metall-Verbunde

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Lothar Kroll
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 231906584

Die Kombination von fasenverstarkten Kunststofflaminaten mit metallischen Dünnblechen zu hybriden Leichtbaustrukturen erlaubt eine deutliche Gewichtsreduktion von Bauteilen und trägt bei mobilen Anwendungen zur erheblichen Einsparung von Energie bei. Die einzelnen Verbundkomponenten weisen allerdings ein stark unterschiedliches Werkstoffverhalten auf, so dass im Hinblick auf prozesstechnische und bauteilspezifische Bedingungen die Faser-Kunststoff-Verbund (FKV)- und Metallkomponenten aneinander anzupassen sind. Insbesondere das unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten von Metall, Kunststoff und Verstärkungsfasern, sowie die resultierenden Schwindungs- und Verzugseffekte führen oft zu kritischen Eigenspannungen und Versagenszuständen. Das Hauptziel des Forschungsvorhabens besteht darin, endlosfaserverstärkte thermoplastische Kunststoffe mit Metallen in Form von hybriden Schichtverbunden belastungsgerecht zu kombinieren. Die Fertigungsstrategie basiert auf der kontinuierlich arbeitenden Faser-Folientechnologie, untergliedert in Faservorlage, druck- und temperaturgesteuerte Faser-Folien-Konsolidierung sowie Verpressen von Faserfolien und metallischen Dünnblechen. Die aus dem serientauglichen Herstellungsprozess als auch im Betrieb resultierenden technischen und hygrothermischen Eigenspannungen sind zu ermitteln und in Korrelation mit Material- und Prozessparametern zu setzen. Hierzu werden spezielle experimentelle als auch analytische und numerische Berechnungsmethoden herangezogen, wie etwa Spannungs-Deformations- Analysen an Scheiben/Platten und Anwendung komplexwertiger Spannungsfunktionen in Kombination mit konformen Abbildungen. Die ermittelten Kennwerte dienen als Eingangsvariablen bei der Auslegung hybrider FKV/Metall-Verbünde. Für die Charakterisierung und Auslegung der Hybridverbunde wird sowohl globales Versagen aufgrund von Randeffekten als auch lokales Versagen an geschwächten Laminaten aufgrund von Durchbrüchen betrachtet. Für die Abmilderung der Eigenspannungen und versagenskritischen interlaminaren Schubspannungen im Hybridverbund sind verschiedene technologische Maßnahmen vorgesehen. So wird einerseits eine elastische Pufferschicht zwischen den hochsteifen faserverstärkten Kunststofflaminaten und metallischen Decklagen auf Basis einer Kunststofffolie mit entsprechender Materialcharakteristik angestrebt, die das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten ausgleichen kann. Andererseits soll über die Optimierung des Schichtaufbaus der FKV-Laminate und Modifikation der Kunststoffmatrix der Wärmeausdehnungskoeffizient gezielt angepasst werden. Die technologischen als auch theoretischen Erkenntnisse dienen der Herstellung eigenspannungsarmer, belastungsoptimierter Faser-Kunststoff/Metall-Laminate für den Cluster sowie der Bereitstellung von Auslegungs- und Berechnungswerkzeugen für die ingenieurmäßige Anwendung bei der Dimensionierung von hybriden Metall/FKV-Strukturen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen