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Faser-Titandraht-Verbund optimiert Krafteinleitung in CFK-Struktur

Innerhalb der DFG-Forschergruppe Schwarz-Silber arbeiten Wissenschaftler aus sechs Bremer Forschungsinstituten zusammen: dem Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH (bias), dem Bremer Institut für Strukturmechanik und Produktionsanlagen (bime), dem Faserinstitut Bremen e.V. (FIBRE), dem Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM), der IWT Stiftung Institut für Werkstofftechnik und Einrichtungen der Hochschule Bremen. Der Arbeitsfokus des Fraunhofer IFAM liegt dabei auf der Entwicklung stoffschlüssiger Verbindungen von Faserverbund-Titandraht-Strukturen mit metallischen Werkstoffen auf Basis gießtechnischer Verfahren wie dem Druckgießen. Sie ermöglichen, CFK-Bauteilen mit Metallkomponenten stoff- und formschlüssig zu verbinden und dabei eine optimale Krafteinleitung an den Verbindungsstellen in die CFK-Bauteile zu erreichen.

Im Rahmen des Vorhabens wurden zunächst anhand geometrisch einfacher Proben verschiedene Positioniermethoden zum direkten Einbringen der Fasern und der Titandrahtstrukturen in einem Druckgusswerkzeug untersucht. Die Herausforderung bestand dabei in einer prozesstechnisch optimierten und reproduzierten Faserpositionierung: Die Fasern müssen im Werkzeug so positioniert werden, dass sie sich trotz der hohen Formfüllgeschwindigkeit mit Aluminiumschmelze infiltrieren lassen und der Faserverlauf im Bauteil dabei reproduzierbar bleibt.

Modifizierte Übergangsmaterialien sorgen für Stoffschlüssigkeit

Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt dabei auf der Entwicklung geeigneter Parametersätze und Formfüllungsprozesse für den anzuwendenden Druckgießprozess. Anschließend werden auf Basis der bereits gewonnenen Ergebnisse Glasfaserrovings und textile Glasfaserflächengebilde mit Aluminiumschmelze infiltriert. Ein zweiter Schwerpunkt liegt in der Oberflächenmodifizierung der Übergangsmaterialien: Titan und Glasfasern. Diese Materialien sind für die Erzielung einer stoffschlüssigen Verbindung mit den Grundwerkstoffen (Aluminium und CFK) verantwortlich.

Die anderen Forschungsinstitute beschäftigen sich im Rahmen des Projekts mit textiltechnischem Entwicklungen zur Anbindung von CFK an die Übergangsstrukturen. Außerdem untersuchen sie die Tauglichkeit des Laserstrahlschweißens zum Fügen von Aluminium an die Titan-CFK-Hybridstrukturen. Sie bewerten das Versagensverhalten und optimieren die Verbindung.

Im Rahmen der Testphase wurden die Verbindungskonzepte bei der manuellen Herstellung von Musterteilen umgesetzt. Die eigentlichen Prüfkörper werden später mit einem höheren Faservolumengehalt hergestellt. In einem nachfolgenden Schritt werden die Proben in Bezug auf die Materialausnutzung optimiert. Die Arbeiten der Forschungsgruppe Schwarz-Silber (FOR 1224), die an der Universität Bremen angesiedelt ist, werden von der deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) finanziell unterstützt.

* Prof. Dr.-Ing. Matthias Busse und Prof. Dr. Bernd Mayer sind Institutsleiter Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in 28359 Bremen. Dipl.-Phys. Uwe Specht und Dipl.-Ing. Jan Clausen sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer IFAM

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