CFK-Aluminium-Strukturen Bei Mischbauweise stößt das Nieten an Grenzen

Autor / Redakteur: Matthias Busse, Bernd Mayer, Uwe Specht und Jan Clausen / Josef-Martin Kraus

Zur Optimierung von Leichtbaustrukturen aus unterschiedlichen Werkstoffen wird die Entwicklung stoffschlüssiger Verbindungen vorangetrieben. Vielversprechende Ansätze bei CFK-Aluminium-Strukturen basieren auf einem fasergerechten integralen Werkstoffübergang. Er könnte das Nieten ablösen.

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Zur Veranschaulichung stoffschlüssiger Verbindungskonzepte wurden Handmuster hergestellt (v.l.n.r.): das Drahtkonzept (Hersteller Fraunhofer IFAM und Fibre), das Faserkonzept (Fraunhofer IFAM und Fibre) und das Folienkonzept (BIAS und Fibre).
Zur Veranschaulichung stoffschlüssiger Verbindungskonzepte wurden Handmuster hergestellt (v.l.n.r.): das Drahtkonzept (Hersteller Fraunhofer IFAM und Fibre), das Faserkonzept (Fraunhofer IFAM und Fibre) und das Folienkonzept (BIAS und Fibre).
(Bild: Fraunhofer IFAM)

Bei der Entwicklung und Konstruktion von Leichtbaustrukturen kommen zunehmend Kombinationen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) und Metallstrukturen zur Anwendung, um die Bauteileigenschaften an die lokalen Anforderungen besser anzupassen. Typische FVK-Anwendungen sind Produkte in der Luft- und Raumfahrttechnik, zum Beispiel die Seitenruderaufhängung, Rumpfsegmente und Sandwichplatten für die Innenausstattung.

Gewichtsoptimierte Strukturen erfordern neue CFK-Fügetechniken

Im allgemeinen Maschinenbau werden unter anderem Hydraulikzylinder und Gelenkarme für Roboter aus CFK hergestellt. Im Automobilbau findet man Faserverbundkunststoffe bereits bei Serienteilen wie CFK-Dächern und Achslenkern. Auf der Fachtagung Carbon Composites 2012 geht Heinrich Timm, Leiter Technologie Netzwerke der Audi AG, als Keynote-Sprecher auf die Prozesskette für Fahrgastzellen in CFK-Metall-Mischbauweise ein.

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Derzeit erfolgt das Verbinden dieser Komponenten in der Regel über einen adhäsiven oder mechanischen Fügeprozess. Insbesondere im Hinblick auf gewichtsoptimierte, integrale Strukturen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften sind jedoch andere konstruktive und prozesstechnische Lösungen erforderlich.

Fasergerechter integraler Übergang zwischen Aluminium und CFK

Am Beispiel des Nietens eines flächigen Aluminiumelements mit einem flächigen CFK-Element wird die Notwendigkeit einer neuartigen CFK-Aluminium-Verbindung deutlich. Diese Verbindung muss Potenziale hinsichtlich der Gewichts- und Bauraumreduzierung bieten. Vielversprechende Entwicklungen basieren auf einem kohlenstofffasergerechten integralen Übergang zwischen Aluminium und CFK. Sie bilden den Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt der DFG-Forschergruppe Schwarz-Silber.

Innerhalb dieses Schwerpunkts werden Verbindungen für die Werkstoffkombination Aluminium–CFK gestaltet, ausgelegt und charakterisiert. Aluminium-CFK-Kombinationen sind für Anwendungen in der Automobilindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrttechnik von besonderem Interesse. Über die im Vordergrund stehenden Aspekte wie Leichtbau und reduzierter Bauraum hinaus muss die Verbindung eine optimierte Krafteinleitung und einen rationelleren Prozessablauf als beim konventionellen Nieten ermöglichen, zum Beispiel durch Reduzierung der Anzahl der Fertigungsschritte.

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