Umformung und Konsolidierung von faserverstärkten Thermoplasten und metallischen Blechen

Dank ihrer guten mechanischen Eigenschaften und ihres geringen Strukturgewichts sind Multimaterialstrukturen in der Automobilindustrie ein vielversprechender Ansatz für Leichtbaukonzepte. Vor allem Metall und Kunststoff werden häufig kombiniert, um bessere Eigenschaften des Endbauteils im Vergleich zu Monomaterialstrukturen zu erreichen.
In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer Fertigungszelle für das gemein-same Umformen und wärmeunterstützte Pressfügen von Stählen und endlosfaserver-stärkten Thermoplasten in Form von unidirektionalen Kohlenstofffasertapes sowie die Ermittlung des dazu benötigten Prozessfensters beschrieben. Der Aufbau der hier hergestellten Hybridbauteile ist wie folgt: Stahlblech, Kunststofffolie, Kohlenstofffaser-tapes, Kunststofffolie, Stahlblech. Die Geometrie des Versuchsbauteils wurde des Weiteren so ausgelegt, dass dieses mittels eines thermischen Pressfügevorgangs hergestellt werden kann. Anschließend wurde das Konzept anhand einer Simulation validiert.
Derartige Hybrid-Bauteile werden in der Regel in variothermen Werkzeugen herge-stellt. Diese Werkzeuge zeichnen sich dadurch aus, dass die Temperatur während des Prozessablaufs variabel ist. Die Halbzeuge werden in das kalte Werkzeug gelegt und anschließend wird das Werkzeug bis zur Schmelztemperatur der thermoplasti-schen Komponenten erwärmt. Danach wird das Werkzeug geschlossen und der Halb-zeugverbund umgeformt. Um ein Erstarren des umgeformten Materialverbunds im Werkzeug zu realisieren, muss dieses wieder abgekühlt werden.
Da sowohl das Aufheizen als auch das Abkühlen der Werkzeuge zeitaufwendig ist, sind Prozesszeiten von bis zu fünf Minuten keine Seltenheit. Lange Zykluszeiten können sich neben der Produktivität auch auf den Energieverbrauch auswirken, da während des gesamten Prozesses Wärmeenergie bereitgestellt und wieder abgeführt werden muss. Eine Reduzierung der Prozesszeiten könnte daher nicht nur die Effizi-enz der Fertigung steigern, sondern auch zu einer verbesserten Energieeffizienz beitragen.
Um dies zu erreichen wurde eine Fertigungszelle entwickelt, welche ein zweigeteiltes isothermes Werkzeug beinhaltet. Das erste Werkzeug dient der Erwärmung des Ma-terialverbundes sowie zur Imprägnierung der Kunststofffasern im thermoplastischen Matrixwerkstoff. Mittels des zweiten Werkzeuges erfolgten die Umformung sowie die Konsolidierung des Materialverbundes. Durch die analytische Bewertung verschiede-ner Haltezeiten im Werkzeug, Umformdrücke und Temperaturen wurde ein Prozess-fenster für das thermische Fügen entwickelt. Um die Halbzeuge wiederholgenau zu stapeln und in den entsprechenden Werkzeugen zu positionieren, kamen zwei Robo-ter zum Einsatz. Die hergestellten Verbundbauteile wurden hinsichtlich ihrer Maßhal-tigkeit, der mechanischen Leistungsfähigkeit und der Haftung zwischen den Fügepart-nern geprüft. Die Machbarkeit der Herstellung wurde nachgewiesen. Alle Verbundbau-teile wiesen eine höhere spezifische Belastbarkeit als ein monolithisches Stahlbauteil auf. Es wurden Zykluszeiten von deutlich unter 60 s erreicht. Mit der neuen Ferti-gungszelle konnte eine Reduzierung der Prozesszeit im Vergleich zu variothermen Werkzeugkonzepten erreicht werden.