Serienfertigung von Stahl-CFK-Strukturen auf metallischem Weg

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GGB Heilbronn GmbH

Franke GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Universität Paderborn Institut für Leichtbau mit Hybridsystemen ILH

Dassault Systèmes Deutschland GmbH

In Versuchen an einfachen Formen wie Profilen und Näpfen wurde gezeigt, dass es für einfache Strukturen und rotationssymmetrische Bauteile kaum Grenzen in der Formgebung gibt [3]. Mit Ausnahme von sehr kleinen Radien, bei denen die CFK-Fasern brechen würden, lassen sich viele übliche Form- und Nebenformelemente heutiger Stahlbauteile herstellen. Die gemeinsame Umformung der Stahl-CFK-Halbzeuge kann in herkömmlichen Werkzeugen und Pressen zur Blechumformung durchgeführt werden. Eine Anpassung von Stempel und Matrize an die besondere Form der Halbzeuge ist jedoch erforderlich. Freimachungen sichern den CFK-Prepregs ausreichend Bewegungsspielraum und verhindern unzulässige Drücke auf das flüssige Epoxidharz-Matrixsystem, das bei der Umformung noch nicht ausgehärtet ist.

Prozesssicherheit durch Simulation der gesamten Prozesskette

Die Simulation komplexer Fertigungsprozesse nimmt in der modernen Produktion eine wichtige Stellung ein und hilft dabei, Kosten zu senken und Prozesse wirtschaftlich auszulegen. Am ILH wurde deshalb ein neuartiges Materialmodell für die komplette Prozesskette der Herstellung hybrider Bauteile erarbeitet. Mit einem neu entwickelten Materialgesetz, das mithilfe von FE-Modellen (Software Abaqus von Dassault Systèmes) umgesetzt wurde, kann das Materialverhalten der untersuchten Stahl-CFK-Hybride über die komplette Prozesskette abgebildet werden [4].

Damit lassen sich erstmals sowohl der Umformprozess als auch die temperatur- und zeitgesteuerte Aushärtung des Matrixsystems detailliert simulieren. Für das neu entwickelte Modell wurde eine Vielzahl an benötigten Parametern zum Materialverhalten interdisziplinär ermittelt und kontinuierlich in Versuchsreihen abgeglichen und verbessert. Das Materialmodell berücksichtigt gezielt das Verhalten des CFK-Prepregs aus hoch anisotropen Fasern und viskoser, isotroper Matrix. Der Zustandswechsel während der Aushärtung fließt damit direkt in die Prozesssimulation ein. Die am ILH entwickelte Simulation bildet damit erstmalig den kompletten Herstellungsprozess für hybride Stahl-CFK-Bauteile ab.

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