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Ausgewählte Ausgabe: 10-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Lasteinleitungselemente faserverbundgerecht integrieren

Für einen technisch und ökonomisch erfolgreichen Einsatz leichter thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbunde (zum Beispiel Organobleche) im Fahrzeugbau ist die Verfügbarkeit werkstoff- und prozessgerechter Fügetechnologien eine wesentliche Voraussetzung. Hierbei lassen sich die charakteristischen Eigenschaften dieser Werkstoffgruppe wie die Warmumformbarkeit gezielt ausnutzen, um effizient Krafteinleitungszonen herzustellen. Ausgehend vom Prinzip der Warmlochformung haben Wissenschaftler des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden ein neuartiges Verfahren zum warmumformtechnischen Einbetten von Inserts in Organobleche entwickelt und in den Bauteil-Fertigungsprozess integriert (Bild 1).


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Bild 1
Probekörper mit warmumformtechnisch eingebetteten Inserts.

Leichtbaustrukturen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) sind aufgrund ihrer hohen spezifischen mechanischen Kennwerte und der gezielten Einstellbarkeit des Eigenschaftsprofils in vielen Bereichen des Fahrzeug-, Maschinen- und Anlagenbaus sowie in der Luftfahrt fest etabliert. Insbesondere thermoplastische FKV ermöglichen durch ihre Warmumformbarkeit neuartige hochintegrative Bauweisen, effiziente großserienfähige Verarbeitungsprozesse sowie die stoffliche Wiederverwertung am Ende des Produktlebenszyklus [1]. Erste Serienanwendungen aus solchen Organoblechen wie etwa Sitzschalen, Steuergeräteträger oder Türmodul-Träger sind in der Automobilindustrie bereits eingeführt.
Für diese Werkstoffgruppe sind klassische Fügeverfahren des Fahrzeugbaus aber nur bedingt geeignet, da sie die charakteristischen Werkstoffeigenschaften und Fertigungsprozesse meist nicht berücksichtigen. Vielmehr lassen sich Lösungsansätze aus der FKV-Branche aufgreifen und gezielt hinsichtlich Prozessintegration und Tragfähigkeit adaptieren. Eine etablierte Methode zur lokalen Krafteinleitung stellt hier etwa die Nutzung metallischer Inserts dar. Klassisch dienen diese als lokale Befestigungspunkte und zeichnen sich im Vergleich zu Direktverschraubungen durch eine sehr gute Eignung zur Wiederholmontage, erhöhte Tragfähigkeit und die Vermeidung von Klemmkraftverlusten aus. Bisher werden diese Inserts zumeist in aufwändigen manuellen Prozessen bei der Verbundbildung oder nachträglich in separaten Prozessschritten eingebracht, wie etwa beim Ultraschalleinbetten von Gewindebuchsen. Ein alternatives und hocheffizientes Verfahren ist die warmumformtechnische Einbettung von Inserts in thermoplastische FKV während der umformtechnischen Bauteilfertigung selbst [2].

Prozess

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Bild 2
Analyse der Werkstoffstruktur (a: Prozessstudie mit Teilumformungen, b: und c: Visualisierung der Faserorientierung anhand von CT-Daten).

Die Technologie basiert auf dem Prinzip der warmumformtechnischen Herstellung von Bolzenlöchern, wobei die Verstärkungsfasern im erweichten Verbund mittels eines Dornwerkzeugs anforderungsgerecht umgelagert, anstatt wie etwa beim Bohren durchtrennt werden. Aufgrund der entstehenden Werkstoffstruktur mit kontinuierlichem Faserverlauf ermöglichen solche geformten Bolzenlöcher höhere Tragfähigkeiten im Vergleich zu klassisch gebohrten Löchern. Im Sinne einer hocheffizienten Fertigungsprozesskette lässt sich der Lochformungsvorgang zudem mit der Bauteilfertigung zusammenführen. Hierbei werden die zur Lochformung erforderlichen Kinematiken direkt in das Formwerkzeug zur Bauteilherstellung integriert [3]. Dieser Ansatz wird nun auch für die Einbettung von Inserts genutzt (Bild 2).

Seite des Artikels
Autoren

Dipl.-Ing. Juliane Troschitz

Wissenschaftliche Mitarbeiterin am ILK

Dipl.-Ing. Robert Kupfer

Leiter Verbindungstechniken am ILK

Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude

Professor für Leichtbaudesign und Strukturbewertung und Mitglied des Vorstandes am ILK

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