Serienfertigung von Stahl-CFK-Strukturen auf metallischem Weg

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Dazu wurden gemeinsam mit vier Industriepartnern aus den Bereichen Automotive, Composites und Werkzeugbau unterschiedliche Konzepte und Verfahren für die gezielte Kombination von Stahl und CFK erarbeitet, um die Vorteile beider Werkstoffe zu kombinieren.

Auf dem Weg zur CFK-Großserie

Die Werkstoffe Stahl und CFK unterscheiden sich stark voneinander: Stahl ist in großen Mengen verfügbar und preiswert. Er lässt sich gut umformen und seine Verarbeitung wurde über Jahrzehnte hinweg perfektioniert. Dagegen sind Kohlenstofffasern sehr aufwendig in der Herstellung und verglichen mit Stahl, sind sie am Markt nur in sehr kleinen Mengen zu einem hohen Preis verfügbar. Bei der Kombination beider Werkstoffe kommt es deshalb auf die richtige Mischung an. Für den Einsatz von CFK in der Großserie und dem Ziel, die Bauteile später auch in einem Mittelklasse-Pkw einsetzen zu können, wird eine lokale Verstärkung von Stahlbauteilen durch sogenannte CFK-Prepregs (vorimprägnierte Faserhalbzeuge) angestrebt. Ziel des lokal begrenzten Materialeinsatzes ist es, die Mehrkosten für Werkstoff und Produktion überschaubar zu gestalten.

Dicke und Gewicht von Stahlplatinen lassen sich deutlich reduzieren

Hybride Bauteile aus Stahl und CFK haben ein großes Leichtbaupotential, das durch die einfache Prozessführung in der gemeinsamen Umformung voll ausgenutzt werden kann. Belastungsangepasste Prepregs mit definiert angeordneten Faserlagen fangen die auftretenden Kräfte im Bauteil optimal auf und bieten eine hohe Festigkeit bei niedrigem Gewicht. Die lokale CFK-Verstärkung macht es möglich, die Wanddicke der eingesetzten Stahlplatinen deutlich zu reduzieren. Aufgrund der vergleichsweise hohen Dichte von Stahl spielt die Reduzierung der Wanddicke für das Gesamtgewicht einer Struktur eine wesentliche Rolle.

Das metallische Grundblech des hybriden Bauteils übernimmt jedoch eine wichtige Funktion: Es sichert im Verbund nicht zuletzt die Anbindung des Bauteils an weitere Strukturen. Alle klassischen Fügeverfahren lassen sich dabei in die Montage integrieren. Ein Bohren des Bauteils, zum Beispiel für Nietlöcher, und somit eine Beschädigung der Fasern ist deshalb nicht erforderlich. In Crashversuchen auf der hauseigenen 6-m-Crashbahn (v_max = 25 m/s, E_max = 32 kJ) wurde gezeigt, dass die Werkstoffkombination aus Stahl und CFK aufgrund der angepassten CFK-Prepreg-Gestaltung zu Gewichtseinsparungen von bis zu 35 % führt, je nach Werkstoffkombination, Geometrie und Belastungsart [2].

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