Entwicklung eines Hochleistungsfertigungsverfahrens zur simultanen Umformung von faserverstärkten Kunststoffen mit Metallblechen (MultiForm)

Problemstellung:
Bedingt durch steigende gesetzliche Limitierungen für den CO2-Ausstoß von Kraftfahrzeugen sowie begrenzten Rohstoffen folgt eine stetig wachsende Bedeutung des automobilen Leichtbaus. Neben hochfesten Stählen und den Leichtmetallen Aluminium und Magnesium ist vor allem die Werkstoffgruppe der faserverstärkten Kunststoffe aufgrund ihrer hohen gewichts-spezifischen Festig- und Steifigkeiten in den Fokus der Automobilindustrie gerückt. Als nachteilig sind das abrupte Versagen und die nur geringen Steifigkeiten bei thermoplastischen Matrixwerkstoffen zu nennen. Das hohe Leichtbaupotenzial und ein gutmütiges Fail-Safe-Verhalten können somit nur durch eine Kombination von Metallwerkstoffen im sogenannten Multi-Material-Design vollständig genutzt werden. Nahezu alle aktuell bekannten Herstellungsverfahren für Hybridbauteile aus Kunststoffen und Metallen umfassen zudem einen nachträglichen Fügeprozess (z.B. Kleben, Fügeelemente) zur Verbindung der artfremden Werkstoffe oder beinhalten einen Formschluss zur Realisierung einer dauerhaften Verbindung.

Projektziele:
Durch das Vorhaben soll ein neuartiges und zugleich wirtschaftliches Fertigungsverfahren zur Herstellung von Hybridbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen und Metallen entwickelt werden. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren wird durch die simultane Umformung der beiden Werkstoffe und den Wegfall von Fügeoperationen vor allem die Taktzeit reduziert und somit die Wirtschaftlichkeit gesteigert werden. Neben der Prozessentwicklung sollen ein entsprechendes Werkzeugkonzept sowie Methoden zur Bauteilauslegung, der Umform- und Prozesssimulation als auch zur Bewertung der Bauteileigenschaften erarbeitet werden.

Vorgehensweise:
Den Kern des Verbundprojekts bildet die Entwicklung eines Werkzeugkonzepts, welches alle Anforderungen an die Hauptkriterien Dichtigkeit, Materialverteilung und Wirkprinzipien erfüllt. Zur Unterstützung der Werkzeugauslegung werden die Umformsimulationen von metallischen Werkstoffen und Kunststoffen geeignet kombiniert. Die Verbindung zwischen Metall und Kunststoff wird dabei durch einen sogenannten Haftvermittler unterstützt, dessen Potenzial einerseits durch den Einsatz der Finite-Elemente-Methode und im Anschluss zur Verifizierung mithilfe von statischen und dynamischen Versuchen überprüft wird. Zwei abschließende Demonstratorbauteile unterschiedlicher Komplexität und Werkstoffkombination sollen die Funktionsweise des neuen Fertigungsverfahrens belegen.

Ergebnissverwertung
Im Ergebnis des Verbundprojekts entsteht ein sicheres und wirtschaftliches Fertigungsverfahren zur Herstellung von Hybridbauteilen aus faserverstärktem Kunststoff und Metallblech, welches ohne zusätzliche Fügeoperationen und -elemente auskommt und dessen Funktionalität sowie Bauteile innerhalb des Projekts umfassend erprobt wurden. Die Einzelergebnisse hinsichtlich Werkzeugkonzept, Simulationsmethode und Prozessführung fördern die Innovationskraft der mitwirkenden Unternehmen und sichern somit nachhaltig Arbeitsplätze. Durch die Beteiligung eines OEMs ist zudem eine zeitnahe Umsetzung bzw. Anwendung des Prozesses und seiner Produkte in der Automobilindustrie möglich.

• SimpaTec Simulation & Technology Consulting GmbH
• Sprick Technologies GmbH & Co. KG
• Universität Siegen
• voestalpine Automotive Components Schwäbisch Gmünd GmbH & Co. KG
• Weber Fibertech GmbH