Serienfertigung von Stahl-CFK-Strukturen auf metallischem Weg

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Prepregs eignen sich durch ihren anpassbaren Aufbau ideal als lokale Verstärkungsmöglichkeit. Sie werden auf speziellen Anlagen kontinuierlich hergestellt, was eine sehr hohe, gleichbleibende Qualität gewährleistet. Ihr Aufbau als Gewebe oder Gelege (uni- und multiaxial) kann entsprechend der Bauteilgeometrie und den zu erwartenden Belastungen optimiert werden. Dadurch bilden sie die ideale Basis für eine lokale Verstärkung einer metallischen Grundstruktur. Im aktuellen Forschungsprojekt kamen CFK-Prepregs mit einer Fasermatrix aus Epoxidharz zum Einsatz. Ein Matrixsystem auf Basis von Epoxidharz bietet vielfältige Vorteile: Epoxidharzsysteme härten unter Temperatur zu einem chemisch beständigen, duroplastischen Kunststoff aus und stellen eine feste Klebverbindung zwischen Stahl und CFK her. Im Gegensatz zu Thermoplasten (zum Beispiel PA 6), bieten die Epoxidharze eine hervorragende Haftfestigkeit, selbst auf leicht öligen Oberflächen. Prepregs machen eine aufwendige Prozesstechnik zur Harzinjektion überflüssig und stellen eine gleichmäßige Benetzung der Fasern sicher, die Grundlage für eine durchgängige Kraftübertragung zwischen den Fasern.

Gemeinsame Umformung mit klassischer Werkzeugtechnik

Automotive-Stahlteile werden in großen Stückzahlen vorwiegend in klassischen Umformprozessen wie dem Tiefziehen hergestellt. Entsprechend kurze Taktzeiten herrschen an den Produktions- und Montagelinien. Die umformtechnische Herstellung der verstärkten Hybridbauteile aus Stahl und CFK-Prepregs mit Werkzeugtechnik aus dem Presswerk stand deshalb im Vordergrund der untersuchten Fertigungsverfahren.

Die Gestaltung von Halbzeugen nimmt in der CFK-Verarbeitung großen Einfluss auf die Prozesszeiten. Weil die thermische Aushärtung der Epoxidharze von mehreren Minuten mit dem Anspruch kurzer Taktzeiten kollidiert, wurde ein Halbzeugaufbau entwickelt, der im Spannungsfeld zwischen Verarbeitungszeit und Werkstückqualität exzellent positioniert ist. Das Ergebnis ist ein Sandwichhalbzeug aus Grundblech, CFK-Prepreg und Deckblech. Das CFK-Prepreg ist zwischen beiden umlaufend gefügten Stahlplatinen (Blechen) sicher eingeschlossen. Aufgrund der metallischen Oberflächen unterscheidet sich die hybride Platine im Handling nicht von einer herkömmlichen Stahlplatine.

Flexibel einsetzbares Hightech-Sandwich

Die metallischen Deckschichten schützen die CFK-Fasern nicht nur vor mechanischen Beschädigungen, sondern verhindern auch deren direkten Kontakt mit den formgebenden Werkzeugoberflächen. Der Doppelblechaufbau mit CFK-Prepregs als Kernwerkstoff, lässt sich durch eine individuelle Zusammenstellung optimal an verschiedene Anwendungen anpassen. Das Deckblech muss nicht besonders dick sein und auch die Festigkeitsansprüche sind eher gering. Das macht den Einsatz von Massenwerkstoffen wie etwa Aluminium möglich, was sich günstig auf den Preis auswirkt.

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