Scherschneiden kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe. Fertigungstechnologie und numerische Modellierung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs, seit 7/2019; Professorin Dr.-Ing. Stefanie Reese
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286076101

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) weisen gegenüber den konventionellen Konstruktionswerkstoffen ein hohes Verhältnis von Festigkeit zur Dichte auf. Im Kontext der Thematik Stofflicher Leichtbau versprechen diese Werkstoffeigenschaften ein hohes Potenzial für die Herstellung von gewichtsoptimierten Bauteilen. Es wird prognostiziert, dass CFK-Komponenten unter anderem in der Automobilindustrie in Großserie eingesetzt werden. Die Komponenten aus CFK werden oftmals endkonturnah hergestellt. Für die weitere Verwendung dieser CFK-Komponenten ist das Besäumen oder das Einbringen von Löchern als Funktionselemente erforderlich. Eine potenziell wirtschaftliche sowie großserientaugliche Technologie um dies zu erreichen, stellt das Scherschneiden dar. In der industriellen Praxis existiert bislang kein Knowhow zum Scherschneiden von CFK. Das Scherschneiden von CFK ist noch kein Stand der Technik und die Ursache-Wirkzusammenhänge beim Scherschneidvorgang derartiger Werkstoffe sind unerforscht. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines analytisch-empirischen Prozessmodells, mit dem die für das Werkstoffverhalten und die Werkstückqualität entscheidenden Ursache-Wirkung-Zusammenhänge beim Scherschneiden von CFK-Werkstoffen grundlegend erklärt werden. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht das Verständnis der physikalischen Wirkmechanismen in der Schnittzone. Diese Wirkmechanismen werden maßgeblich durch die Umformung sowie die daraus resultierende fortschreitende Schädigung und schließlich das Versagen des CFK-Verbunds bestimmt. Das gewonnene Grundlagenverständnis ermöglicht anschließend das Scherschneiden von CFK mit hoher Werkstückqualität durch eine zielgerichtete Prozessauslegung. Die Erarbeitung des Erklärungsmodells erfolgt in Kooperation zwischen dem IFAM und dem WZL. Das IFAM übernimmt die Materialcharakterisierung sowie die Formulierung und numerische Implementierung eines mikroskopisch motivierten Materialmodells, das die CFK-Trennung im Scherschneidprozess realitätsgetreu abbilden kann. Das WZL ist für die systematische experimentelle Untersuchung des Scherschneidens von CFK und die Ermittlung der signifikanten Ursache-Wirkung-Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und dem Prozessergebnis zuständig. Diese Erkenntnisse werden bei der Formulierung des Materialmodells berücksichtigt. Darüber hinaus realisiert das WZL die numerische Analyse des Scherscheidens von CFK unter Verwendung des durch das IFAM entwickelten und numerisch implementierten Materialmodells. Abschließend wird aus den gewonnen Erkenntnissen ein Erklärungsmodell synthetisiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Fritz Klocke, bis 6/2019