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Leichtbau im Automobil (LiA) Bildinformationen anzeigen
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Leichtbau im Automobil (LiA)

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Projekt "Herstellung FKV-Bauteile und Metall-FKV-Hybridbauteile mit neuartigen selbstabdichtenden Werkzeugen - sediWe"

Aufgrund der hohen gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften werden Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) zunehmend in Leichtbauanwendungen eingesetzt. Bei Bauteilen aus Hybridwerkstoffen kann die Auslegung beanspruchungsgerecht durchgeführt werden und der meist teure FKV wird ausschließlich an der Stelle mit der höchsten Beanspruchung eingesetzt. Komplexe FKV- und Hybridbauteile werden u.a. mit dem Resin Transfer Moulding (RTM)-Verfahren hergestellt. Aufgrund der niedrigen Viskosität des verwendeten Matrixsystems werden nach dem aktuellen Stand der Technik lediglich RTM-Werkzeuge mit silikon-basierten Dichtelementen eingesetzt. Nachteilig ist hier besonders ein hoher Verschleiß zu nennen, welcher durch chemische, mechanische und thermische Belastungen verursacht wird. Als Folge führt dies zu einem erhöhten Kontroll- und Wartungsaufwand sowie unproduktiven Stillstandzeiten zum Wechsel von Dichtmaterialien.

Die Projektidee verfolgt eine Abdichtung der Kavität durch eine stark beschleunigte, thermisch induzierte Aushärtung des Harzes an der Außenkante der Form. Im abzudichtenden Bereich wird der Harzfluss durch Erhöhung des Fließwiderstands in Kombination mit lokaler Erwärmung und Verwendung von chemischen Katalysatoren gestoppt. Aufgrund der überlagerten Effekte durch Strömungsfrontmodifikation und gezielter Viskositätssteigerung härtet das Harz konturnah aus und fungiert als Abdichtung des Formwerkzeugs. Dieses Dichtkonzept bietet hohes Transferpotential auf viele weitere Verarbeitungsverfahren von FKV. Als Referenzanwendung wird im Rahmen dieses Fördervorhabens das RTM-Verfahren betrachtet.

Das Abdichtkonzept sieht ein starres Heizelement und eine thermische Isolierung in der oberen Werkzeughälfte vor (Abbildung 1). Das Heizelement liefert lokal eine deutlich erhöhte Temperatur im Randbereich des Werkzeugs (z.B. 250 °C) und wird durch die Wärmeisolierung von der restlichen Form (z.B. 120 °C) thermisch entkoppelt. Hierdurch kann die Temperatur der Wirkflächen des Werkzeugs trotz des lokal wirkenden Heizelements auf einem gleichmäßigen Temperaturniveau gehalten werden. Beim Schließen des Werkzeugs stellt sich zwischen dem Heizelement und der unterer Formhälfte (FKV-Bauteile) respektive der eingelegten Metallstruktur (intrinsische Hybridbauteile) ein definierter Spalt ein, während die Kavitätshöhe deutlich größer ist.

Durch die Querschnittsreduzierung wird der entstehenden Fließfront ein wirksamer Widerstand entgegengebracht. Anschließend wird das Matrixharz in dem Abdichtungsbereich konturnah ausgehärtet, sodass die Kavität durch den ausgehärteten Anteil der Matrix nach außen hin abgedichtet wird. Darüber hinaus können Silikondichtungen in der Oberform weiter außen angeordnet werden. Sie werden u.a. beim vakuumunterstützten RTM-Verfahren als Gasdichtung zur Erzeugung eines Vakuums verwendet und kommen nicht mehr mit den reaktiven Harzen in Kontakt.

Abbildung 1: Neuartiges Abdichtkonzept

Ziel des Forschungsprojekts ist die Validierung des dichtelementfreien Werkzeugkonzepts und die Anhebung des Technologie-Reifegrads. Mit dem Ergebnistransfer von ebenen Versuchskörpern auf komplexe, dreidimensionale Bauteile sind verschiedene Herausforderungen auf Produkt- (z.B. Konturgenauigkeiten, Laminatqualitäten) und Prozessebene (z.B. Taktzeiten, Handling, Injektionsstrategien) verbunden. Eine systematische Untersuchung im Hinblick auf die Prozessgrenzen, Bauteilqualitäten und Entwicklungspotentiale bildet die wesentlichen Schwerpunkte dieses Fördervorhabens.

Mithilfe der statistischen Versuchsplanung werden die Prozessparameter an ebenen Probekörpern in einer 2D-Werkzeuggeometrie untersucht. Durch die Auswertung der Effekte und Wechselwirkungen wird ein empirisches Modell des Dichtmechanismus entwickelt, das bei der Optimierung der Funktionalität und Dichtleistung sowie der Werkzeugauslegung für komplexe Bauteile eingesetzt wird. Basierend hierauf wird im nächsten Schritt die Fertigungstechnologie gezielt optimiert. Die im Vorversuch verwendeten Wärmeisolierschichten werden hinsichtlich des Bauraumbedarfs bei gleichbleibenden Isoliereigenschaften optimiert, um eine endkonturnahe Fertigung erzielen zu können. Darüber hinaus werden unterschiedliche Typen von Heizelementen untersucht, um die Anforderungen der teilweise komplexen 3D-Werkzeuge zu erreichen.

Abbildung 2: Projektinhalte sediWe

Die Untersuchung des Abdichtkonzeptes an 3D-Strukturen basiert auf einem dafür ausgelegten Werkzeug mit integrierten, optimierten Wärmeisolierungen und Heizquellen. Mit diesem Werkzeug und den zuvor ermittelten Prozessparametern für den RTM-Prozess werden Demonstratoren jeweils aus reinem FKV und Metall-FKV-Hybridwerkstoff hergestellt. Diese werden anschließend in Torsions-, Biege- und Axialcrashuntersuchungen charakterisiert, um die Güte des Fertigungsprozesses ermitteln zu können.

Dieses Vorhaben wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Ansprechpartner

Tim Stallmeister

Leichtbau im Automobil

FKV-Hybrid

Tim Stallmeister
Telefon:
+49 5251 60-5943
Büro:
IW 1.854

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