Fügen von faserverstärkten Kunststoffen in Multi-Material- Fahrzeugstrukturen aktuelle Forschungsergebnisse

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1 Fügen von faserverstärkten Kunststoffen in Multi-Material- Fahrzeugstrukturen aktuelle Forschungsergebnisse Dipl.-Ing. Andreas Piller 1, Prof. Dr.-Ing. Horst E. Friedrich 1, Dipl.-Ing. Gundolf Kopp 1, Dr.-Ing. Frank Henning 2 1, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Stuttgart, 2 Fraunhofer-Institut Chemische Technologie (ICT), Pfinztal

2 Fügen von faserverstärkten Kunststoffen in Multi-Material-Fahrzeugstrukturen aktuelle Forschungsergebnisse Vorstellung kalte Fügeverfahren für langfaserverstärkte Kunststoffe (LFT) stoffschlüssiges Fügen mechanisches Fügen Optimierung des Fügepunktabstandes Zusammenfassung

3 DLR, Institute Verkehr Mitarbeiter in 28 Forschungseinrichtungen Institut für Verkehrsforschung Forschungs-Programme: Luftfahrt Raumfahrt Verkehr Energie Hamburg Bremen Neustrelitz Trauen Berlin- Charlottenburg Braunschweig Berlin-- Institut für Verkehrssystemtechnik Adlershof Göttingen Köln-Porz Bonn Sankt Augustin Darmstadt Lampoldshausen Stuttgart Oberpfaffenhofen Weilheim

4 Motivation Endlichkeit der natürlichen und der fossilen Ressourcen Folgen des Klimawandels Zunehmende Bevölkerung verlangt zunehmende Mobilität Bedeutung des Leichtbaus in der Fahrzeugtechnik: Reduktion der Fahrwiderstände durch verringerte Fahrzeugmasse Niedrigerer Verbrauch / CO 2 -Emission Gesetzgebung / Standards

5 Vision CO 2 -neutrales Fahrzeug CO 2 -Emissionen 10 6 tco 2 /a Fahrleistung 10 9 km/a Erhöhung der Energieeffizienz Sekundärenergienutzung Alternative Energiewandlung Kraftstoffszenarien Stoßrichtungen Reduzierung der Fahrwiderstände Leichtbaustrategien Multi Material Design Hybridbauweise Synthese Neue Fahrzeugkonzepte Entwicklung und Integration innovativer Technologien

6 Konzeptfahrzeug in Multi-Material-Design (MMD) Sandwichstrukturen Stahl- Rollprofile Gußintensiver Vorderwagen Spantbauweise in CFK und LFT Fügetechnologien sind das zentrale Thema für die erfolgreiche Umsetzung von MMD-Fahrzeugstrukturen

7 Werkstoffe Materialentwicklung im LFT-Direktverfahren Matrix Polymere Polypropylen Polyamide: PA 6, PA 6.6 etc. Polyethylenterephtalat (PET) Styrol Copolymere: ABS, ASA, SAN etc. Blends Verstärkungsfasern Glasfasern Naturfasern. Kohlenstofffasern Synthetische Fasern, z.b. Rayon, Polyester etc. IL-Compounder Fließpressen Bauteil Misch-Extruder Plastifikat Presse

8 Fügetechnologien für Multi-Material-Design mechanisches Fügen kalte Fügeverfahren Hybridfügen Stoffschlüssiges Fügen Quelle: Fügetechnik, Klaus-Jürgen Matthes

9 Ganzheitliche Betrachtung Konzeption Versuch Simulation Quelle: EU-Projekt Super LIGHT Car (SLC)

10 Stoffschlüssiges Fügen - kalthärtende Klebstoffsysteme für niederenergetische Oberflächen Problematik: ahäsives Versagen Grund: niederenergetische Oberflächen Schlechte Benetzung Lösungsmöglichkeiten: Oberflächenaktivierung Klebstoffsysteme für niederenergetische Oberflächen

11 Stoffschlüssiges Fügen - Auszug aus den Ergebnissen Beflammen mit Silangas Oberflächenaktivierung mit Atmosphärenplasma Zugscherfestigkeit [MPa] Zugscherfestigkeit [Mpa] sec. 16sec. 20sec. 0 10mm/s 25mm/s 50mm/s 90mm/s unbehandelt Vergleich der Vorbehandlungsmethoden Alterungsuntersuchung Zugscherfestigkeit[MPa] Zugkraft [kn] Ethanol Atmosphärenplasma Beflammen 0 vorher nachher

12 Mechanisches Fügen - Systematik einseitig zweiseitig Zugänglichkeit Vorlochoperation Blindnieten Metrische Schraube mit ohne Direktverschrauben Halbhohlstanznieten

13 Mechanisches Fügen Auszug aus den Ergebnissen Fügen von LFT mittels Halbhohlstanznieten LFT Fügen von LFT mittels Direktverschrauben SN-PA40%GF-AlMg4,5Mn0,7 FDS-PP30%GF-AlMg4,5Mn0,7 SN: Halbhohlstanznieten, FDS: FlowDrillSchrauben,

14 Optimierung des Fügepunktabstandes Herausforderung von mechanisch gefügten Verbindungen Herausforderung 1: Fügestellenoptimierung

15 Optimierung des Fügepunktabstandes - Mehrelementversuch Ziel: Optimale Festigkeit einer Scherzugprobe durch Variierung des Fügepunktabstandes ermitteln Anforderungen an die Prüfvorrichtung: 500 mm breite Proben zu prüfen Randeinflüsse zu reduzieren 250 kn Zugkraft zu ertragen Biegemomente auf Fügefläche vermeiden keine seitlichen Kräfte auf Prüfmaschine zulassen Untersuchte Fügeproben: FDS Klebung mit Dow Betamate 1496 Hybridfügung Jeweils 11, 21 und 31 Fügepunkte

16 Zusammenfassung - Maximalfestigkeit in Abhängigkeit von der Fügetechnik am Beispiel LFT- Aluminium Maximalkraft in [kn] BBN SN FDS KL Fügetechnik BBN:Bohrblindnieten, SN: Halbhohlstanznieten, FDS: FlowDrillSchrauben, KL: Kleben

17 Zusammenfassung Oberflächenaktivierung für das Kleben von LFT- Bauteilen unverzichtbar Mechanische Fügetechniken mit einer rotierenden und pressenden Bewegung günstiger als eine rein pressende geringe Wärmeeinbringung >>Vorteil bei schlecht oder nicht schweißbaren Werkstoffkombinationen Gemeinsame Anstrengungen von Forschungseinrichtungen und Hochschulen mit der Industrie können Voraussetzungen für neue Fügekonzepte schaffen

18 Roadmap für Leichtbauweisen Großserie new Neue grades Stahlgüten of steel Mittlere Serie Unibody design Tailored tailored steel blanks Produkte new grades of steel Ultra hoch feste Stähle Al-Spaceframe Multi-Material Design Multi-Material-Design CFRP CFK rib Spant- and space-frame und Space- Frame design Design (FRP) (FVK) hybrid spaceframe Hybrid Design structures Leichtmetalle Hoch- hybrid Integrations- spaceframe Technologien structures Leichtmetalle new light alloys Space-Frame Spaceframe new Neue composite Verbundwerkstoffe materials Kleinserie

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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