FERTIGUNGSTECHNOLOGIEN FÜR HYBRIDE LEICHTBAUSTRUKTUREN

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1 FERTIGUNGSTECHNOLOGIEN FÜR HYBRIDE LEICHTBAUSTRUKTUREN Prof. W.-G. Drossel, C. Lies, A. Albert, R. Haase, Dr. R. Müller, M. Riemer thermopre, Chemnitz, 27./28. September 2016

2 Das Fraunhofer IWU Profil Gründung am 1. Juli Mitarbeiter ca. 40 Mio Euro Jahresetat Standorte: Chemnitz, Dresden, Zittau Forschung unter dem Leitthema»Ressourceneffiziente Produktion«Wissenschaftsbereiche Mechatronik und Funktionsleichtbau Werkzeugmaschinen, Produktionssysteme und Zerspanungstechnik Umformtechnik und Fügen 2

3 GLIEDERUNG Metall-Kunststoff-Hybridbauteile - Stand der Technik - Motivation Technologiekombinationen zur Herstellung von Metall-Kunststoff- Hybridbauteilen Verfahrenskombination Tiefziehen und Spritzgießen Verfahrenskombination IHU-Spritzgießen Technologien zur Herstellung blechbasierter Metall-Kunststoff- Hybridbauteile FKV-Metallschaum-Hybridstrukturen Integration intelligenter Materialien 3

5 Einsatz alternativer Leichtbaumaterialien in der Karosserie Quelle: C. Klemt, Dr. H. Kurz, Dr. M. Goede; Volkswagen 5

6 Leicht- und Mischbaustrategien in der Karosserie Quelle: C. Klemt, Dr. H. Kurz, Dr. M. Goede; Volkswagen 6

7 Metall-Kunststoff-Hybridbauteile Industrieller Einsatz Blechbasierte Bauteile Rohr- bzw. profilbasierte Bauteile Quelle: LANXESS Deutschland GmbH 7

8 Metall-Kunststoff-Hybridbauteile Einteilung / Fertigungstechnologien Quellen: Drummer, D.; Hoffmann, L.: Hybridtechniken in der Kunststoffverarbeitung, Neue Materialien Fürth GmbH (Download ) Geiger, M.; Ehrenstein G. W., aus: Tagungsband zum Berichts- und Industriekolloquium 2003 des SFB 8

9 Metall-Kunststoff-Hybridbauteile Stand der Technik Fazit Urform- und Umformprozess erfolgen meist getrennt oder nur teilweise integriert Hoher Aufwand zur Realisierung der Verbundfestigkeit Ziel Chemischer Haftvermittler Durchspritzungen Entwicklung von Verfahrenskombinationen aus Urformen, Umformen und Fügen Realisierung der Verbundhaftung ohne chemische Haftvermittler 9

11 MERGE: Kombination von Tiefziehen und Spritzgießen Prozesslayout Hybrider Prozess I. Konventionelles Tiefziehen für den Metall-Napf II. Spritzguss für Kunststoffversteifung Nebenformelemente 11

12 MERGE: Kombination von Tiefziehen und Spritzgießen Werkzeugtechnologie und Versuchsaufbau Spritzgießeinheit Hydraulische Presse 12

13 MERGE: Kombination von Tiefziehen und Spritzgießen Prozessparameter Prozess Handhabung und Presse schließen: 4 s Tiefziehen 2 s Spritzgießen Einspritzzeit: 0,7 s Haltezeit: 5 s Kühlzeit: 25 s Presse öffnen und Handhabung: 4 s Zykluszeit: 41 s (Versuchsprozess) 13

14 MERGE: Kombination von Tiefziehen und Spritzgießen Demonstrator Motorhaube / Nächste Schritte Versuche Konventionelle Bauweise Tiefziehen und Spritzgießen: Motorhaubenausschnitt Außenhautqualität! Ersatz des versteifenden Innenbleches durch eine Spritzgusskomponente sowie Anbindung des Haubenscharnieres an den Kunststoff Topologieoptimierung Gestaltung spritzgussgerechter Rippen 14

15 MERGE: Verfahrenskombination IHU-Spritzgießen Prozesslayout Hybrider Prozess I. Innenhochdruckumformung eines Metallrohres / Realisierung des Gegendruckes II. Anspritzen von Kunststoffelementen Quelle: 15

16 MERGE: Verfahrenskombination IHU-Spritzgießen Zielstellung Industrieller Stand der Technik Verwendung von HFA-Flüssigkeit als Wirkmedium Verwendung chemischer Haftvermittler (z.b. Vestamelt) Ziel Verwendung von gasförmigem Wirkmedium Ersatz der chemischen Haftvermittler durch Oberflächenstrukturierung Korund-Strahlen, Rändeln, Laserstrukturieren Bestimmung der Verbundfestigkeit 16

17 MERGE: Verfahrenskombination IHU-Spritzgießen Versuchsaufbau und Prozessparameter Spritzgießeinheit Prozessparameter Kunststoff Umformdruck (St/Al) Wert PA6 / GF bar / 160 bar Rohrtemperatur (St/Al) bis 250 C / 200 C Werkzeugtemperatur 80 C Einspritztemperatur 280 C IHU-Modul Zykluszeiten IHU Einspritzen Gesamt (inkl. Kühlung, Handling) 3-5 sec 2 sec 59 sec 17

18 MERGE: Verfahrenskombination IHU-Spritzgießen Verbundhaftung - Versuchsgeometrien Anspritzung unterschiedlicher Kunststoffkomponenten zur Prüfung der Verbindungsfestigkeit in Abhängigkeit der Oberflächenbehandlung Zugfestigkeit Scherfestigkeit Torsionsfestigkeit ing 6 mm, 1 Ring 6 mm, R2 Ring Name 6 mm, R4 Ring 6 mm, R6 Ring 610 mm, R1 Ring 6 mm, R2 Ring 6 mm, R4 Ring 6 mm, R6 mm 2 mm 4 mm Transition 06 mm 10 mm 2 mm 4 mm 6 mm radius Image 18 6 mm Ring width 10 mm 730 mm² Contact area 1258 mm² 6 mm 730 mm²

19 MERGE: Verfahrenskombination IHU-Spritzgießen Verbundhaftung - Scherfestigkeit 19

20 MERGE: Verfahrenskombination IHU-Spritzgießen In-situ-Fertigung von Hybridbauteilen Zusammenfassung Umformung mit Stickstoff als Wirkmedium möglich Verbundfestigkeit Ausblick Mit Vestamelt vergleichbare Ergebnisse sind nur mit Laserstrukturierung zu erreichen Laserstrukturierung bei Aluminium muss weiter optimiert werden Weiterentwicklung Laserstrukturierung Aluminium Test der Verbundhaftung nach Konditionierungsvorgaben eines OEM Umsetzung eines Demonstrators Bsp.: Achsträger 20

22 DFG-AiF-Cluster: Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden Erarbeitung großserienfähiger Umformtechnologien für hybride Halbzeuge Herstellung des Verbundes und Formgebung in einem Prozessschritt Beschicken Prozessschritte im Umformwerkzeug Entnahme Metallblech T p T p T p FKV- Prepreg Metallblech Plastifizieren Umformen Konsolidieren T... Temperatur p... Druck Abkühlen T p Zielstellungen Gewichtsreduktion bei gleicher Steifigkeit delaminationsfreie, formgenaue Bauteile Verringerung der Prozesszeit Technologiedemonstrator Dachquerträger 22

23 Gesamtverbunddicke eingestellt über Distanzen DFG-AiF-Cluster: Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden Ergebnisse variothermes Werkzeugkonzept mit elektrischer Heizung und hydraulischer Kühlung und umlaufender Absperrsicke 25% Massereduktion bei gleicher Steifigkeit im Vergleich zur monolithischen Referenzbauweise aus Stahl Stempeleinsätze Heizschlange Heizplatte Kühlplatte Isolationsplatte verbesserte Crash-Performance im Vergleich zur reinen FKV-Variante keine Verbundimperfektionen wie Delaminationen, Lagenverschiebungen oder Lufteinschlüsse Schnitt A-A 2,000 mm 1,6 A 1,8 A 1,000 mm 23

24 DFG-SPP1712 Intrinsische Hybridverbunde Motivation Energiedissipation von FKV-Strukturen im Crashfall gering Lösungsansatz: Hybridverbund Verstärkung der FVK-Struktur mit einem metallischen Einleger Erhöhung der Energieaufnahme im Crashfall EMV Schutz Metall FKV FKV Interface Metall / Kunststoff bestimmt Verbundeigenschaften Kombination von Form- und Stoffschluss zeigt hervorragende Eigenschaften Krafteinleitung in Fasern durch Hinterschnitt Krafteinleitung in Matrix durch adhäsive Anbindung Verringerung Steifigkeitssprung durch gradierten Übergang Einbringung von FSE aktuell in getrenntem Fertigungsschritt Aufschweißen Pin-Strukturen (a) Einwalzen von Hakenelementen (b) Aufwendige Prozesskette a) Ucsnik, S; Scheerer, M.; Zarema, S.; Pahr, D. H.: Experimental investigations of a novel hybrid metal-composit joining technology. Composites: Part A, 41, 2010 b) (Stand: ) a) b) 24

25 DFG-SPP1712 Intrinsische Hybridverbunde Prozesskette Prozessanforderungen Hybridisierung, Herstellung der Bauteilgeometrie und der Formschlusselemente in einem Prozessschritt Konzept: Umformung auf mehreren Skalenebenen 1 globale Formgebung 2 lokale Formgebung F 1 metallischer Einleger Formschlusselemente Herausforderungen Entwicklung funktionsintegrierter Einleger Kombination Thermoformprozess + Streckziehprozess Modellierung der gesamten Prozesskette F 2 Formschluss mit Faserrovings 25

26 w w DFG-SPP1712 Intrinsische Hybridverbunde Entwicklung metallischer Einleger Anforderung: Erzeugung von Out-of-Plane Verformung unter ebener Belastung Nutzung des Effekts Biegedrillknicken Geometrie Design mittels RSM L c W L c l F F a) basic element b) in-plane bending c) out of-plane buckling Optimierte Geometrie des metallischen Einlegers: elast.-plast. Simulation in LS-Dyna Ergebnisse Zugversuch 26

27 Temperatur Matrize [ C] DFG-SPP1712 Intrinsische Hybridverbunde Werkzeugentwicklung - Temperierung Temperierkonzept beeinflusst signifikant die Prozesszeiten FE-Modellierung des Aufheiz- und Abkühlvorganges Vorzugsvariante: Heizen mit HPs + konturnahe Kühlung mit Thermo-Öl c) a) b) Zeit [s] a) erstes Aufheizen auf 230 C: 655s b) Abkühlen auf 180 C: 20s c) erneutes Aufwärmen auf 230 C: 30s c) + b) Prozesszeit: 50s weitere Schritte: Umformversuche + Festlegung Prozessparameter 27

28 Technologien zur Herstellung blechbasierter Metall- Kunststoff-Hybridbauteile Herstellung Hybridbauteile in einem Hub mit den Methoden der Blechumformung möglich Integration weiterer Prozesse in den Formgebungsprozess Prozesszeiten werden signifikant von der thermischen Auslegung der Umformwerkzeuge bestimmt FE-Analyse der Umformwerkzeuge zielführend Prozesszeiten im Bereich <60s möglich 28

30 MERGE: FKV-Metallschaum - Hybridstrukturen Wunsch nach höherem Dämpfungsvermögen und Gewichtsreduktion Direktfügeverfahren für zuverlässige Verbindung zwischen Schaumkern und FKV-Deckschicht 30

31 MERGE: FKV-Metallschaum - Hybridstrukturen Prozesslayout Chargieren Schäumen (+anschließende Oberflächenbehandlung) Umsetzen Thermoplastischer FKV + Al-Schaum Verbinden des Schäumprozesses mit dem Aufbringen der Decklagen Herausforderungen: Integration Oberflächen-vorbehandlung in Prozesskette! Nutzung der Restwärme des Schäumprozesses Entnahme fertiges Bauteil Pressen (+kombinierter Spritzguss) 31

32 F max in kn MERGE: FKV-Metallschaum - Hybridstrukturen Fügeverfahren / Verbundhaftung Ausgangsmaterial: AlMg1Si0,5 14,000 Ausgangsmaterial SaCobehandelt Gitterstruktur Sandstrahl-Coating: Oberflächenvorbehandlung mit chemisch modifiziertem Strahlgut; Anrauen sowie Silikatbeschichtung der Oberfläche Gitterstruktur: mittels Laser in Grafitform eingebracht; Oberflächenvergrößerung auf 140% 12,000 Fügepartner PA6 GF 40% 10,000 Fügeverfahren 8,000 6,000 4,000 2,000 0,000 Ausgangsmaterial SACO Strukturiert Kopfzugversuche, Heißpressen, Interfaceversagen Heißpressen beider Fügepartner, 150 N/cm² Fügedruck Wärmeleitfügen, Fügetemperatur ca. 270 C Infrarotschweißen, Erweichen des GFK durch Infrarotstrahler 32

33 MERGE: FKV-Metallschaum - Hybridstrukturen Demonstrator Querlenker Schäumwerkzeug Grafit Integration der Verbindungselemente Presswerkzeug Aluminium Temperierung Aufpressen der Decklagen Auslegung / Simulation Fertiger Querlenker und Beschnitt 33

35 Reduktion SFB/TR 39 PT-PIESA: Integration Piezo-keramischer Sensoren und Aktoren Auslegungskonflikt Lightweight design Dynamic behaviour Comfort Lösung: Funktionsintegration Störung Struktur Sensor Aktor Control Verformung Schwingung Lärm Instabilitäten 35

36 SFB/TR 39 PT-PIESA: Integration Piezo-keramischer Sensoren und Aktoren Herausforderung Modulfertigung Piezo elektrisches Material Layout Kontaktierung Stapelung Piezo elektr. Verbundmaterial Modulfertigung Zusammenbau Adaptronische Komponente Halbzeug Umformen Mechanical structure Prozesskette PT-PIESA: Integrierte Fertigung Piezo Halbzeug (fiber/laminate) Integration (Isolation, Kontaktierung, Stabilisierugn) Halbzeug (Leichtbaumaterial) Umformen (Gussteil, Faserverbund) Umformen Adaptronische Komponente 36

37 SFB/TR 39 PT-PIESA: Piezo-keramische Fasern im Umformprozess Ausgangssituation Gute Verformbarkeit von Metallblechen plastische Deformation Hohe Brüchigkeit von Keramik elastische Deformation Ansatz Konstruktionsprinzip für Piezo-Keramik/Metall 2-2 Verbund Nutzung feiner piezokeramischer Fasern hohe Flexibilität Integration piezo keramischer Faser-Arrays als Substrukturen in großflächigen Metallblechen (Aluminium) micro cavities in metal sheet piezo fibers with top-and bottomelectrodes collecting electrodes PZT PZT S 2, T 2 Al Al Al 3 2 S 1, T 1 1 P 3 E 3 37

38 SFB/TR 39 PT-PIESA: Piezo-keramische Fasern im Umformprozess Prozesskette Blech Mikro Umformung Mikro Assembling Fügen Tiefziehen Aktives Blech Mikro-Kavitäten im Alu-Blech Assembling paralleler Piezo-Fasern Piezo-Fasern in Metall-Matrix Umgeformtes Blech mit integrierten Piezo-Fasern Experimentelle und numerische Analyse des Fügeprozesses Numerische Simulation des Umformprozesses 38

39 Capacitance C/nF SFB/TR 39 PT-PIESA: Piezo-keramische Fasern im Umformprozess R 100 außen Piezokeramische Faser Verbindungselektrode R 100 outside Leitfähiger Klebstoff inserted bonded formed -33% R 250 outside R 100 inside R 250 außen R 250 inside R 100 innen Trennung Bruch aufgrund Normalspannung Bruch aufgrund Scherspannung R 250 innen 39

40 SFB/TR 39 PT-PIESA: Piezo-keramische Fasern im Umformprozess Flügelsegment für Structural health monitoring (SHM) Direkt integrierte MFC bzw. piezo-keramische Fasern SHM durch Impedanzmessung Detektion von losen Schrauben Aktuator (integriertes MFC) Mehrfach angeschraubte Verbindung Sensorsignal für festsitzende Schraube Lose / fest sitzende Schraube Sensor (integrierte Piezo- Fasern) Sensorsignal für lose Schraube 40

41 Zusammenfassung Metall-Kunststoff-Hybrid-Bauteile Bisher getrennte Fertigung von Metall- und Kunststoffkomponenten Integrierte Prozesse zur Material- und Kosteneffizienz Blech basierte Metall-Kunststoff-Hybridbauteile durch Verfahrenskombination Tiefziehen und Spritzgießen Rohr basierte Metall-Kunststoff-Hybridbauteile durch Verfahrenskombination IHU-Spritzgießen FKV-Metallschaum-Hybridstrukturen Direktfügeverfahren durch Verbinden des Schäumprozesses mit dem Aufbringen der FKV-Decklagen Integration intelligenter Materialien Integration piezo-keramischer Fesern in den Umformprozess Integrierte Sensoren und Aktoren z.b. für Health-Monitoring von Sicherheitsbauteilen 41

42 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit Welf-Guntram Drossel Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Tel: Danksagungen Die vorgestellten Arbeiten entstanden im Rahmen des Bundesexzellenzcluster EXC 1075 Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen, dem AiF-DFG-Gemeinschafts-vorhaben Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff/Metall- Verbunden, dem DFG Schwerpunktprogramm SPP1712 Intrinsische Hybridverbunde für Leichtbautragstrukturen und dem Sonderforschungsbereich/Transregio 39 Großserienfähige Produktionstechnologien für leichtmetall- und faserverbundbasierte Komponenten mit integrierten Piezosensoren und -aktoren. Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung. 42