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Organobleche, Faserverbund-Hohlprofile und Spritzgieß-Knoten¬strukturen in einem Prozess kombiniert
Im Rahmen der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE) kommt dem Leichtbau als eine wesentliche Säule zur Erreichung der ambitionierten Ziele – Leitanbieter und Leitmarkt bis 2020 – eine besondere Bedeutung zu. Zur Realisierung hoher Leichtbaugrade ist die Entwicklung und technologische Umsetzung neuer Bauweisen- und Fertigungskonzepte unter Nutzung moderner Werkstoffsysteme unabdingbar. Hierbei bieten hochintegrative Mehrkomponentenbauweisen mit faserverstärkten Thermoplasten eine besonders aussichtsreiche Möglichkeit zur Gewichtsreduktion bei gleichzeitig hoher Fertigungseffizienz.
Ein zielführender Ansatz zur beanspruchungsgerechten Gestaltung von Leichtbau-Tragstrukturen ist die modulare Kombination von torsions- und biegesteifen Hohlprofilen mit komplexen Knoten und flächigen Bauelementen in einer Tragstruktur. Während Organoblech-Spritzguss-Hybridstrukturen bereits an der Schwelle zur Serienanwendung stehen, lassen sich geschlossene Hohlprofile mit kontinuierlichem Faserverlauf bisher nicht im Sinne eines modularen Baukastensystems in thermoplastische FKV-Hybridstrukturen integrieren. Seit 2015 werden daher im BMBF-Projekt FuPro der Plattform FOREL die zugehörigen automatisierten Technologien für die Kombination von Organoblechen, Hohlprofilen und langfaserverstärkten Kunststoffen entwickelt. Das technologische Konzept basiert auf einer Prozesskette zur Fertigung und Weiterverarbeitung komplex geformter topologischer Hohlprofile aus Thermoplast-Hybridgarnen. Die aus schlauchförmigen Halbzeugen hergestellte mehrlagige textile Preform wird in ein Konsolidierungswerkzeug eingelegt, wobei die textile Architektur eine hohe Flexibilität hinsichtlich erreichbarer Biegeradien und Querschnittsgeometrien erlaubt. Die Konsolidierung dieser Preform erfolgt dann in einem variothermen Schlauchblasprozess mittels einer innen liegenden Pressmembran. Der Einsatz dünnwandiger über die additive Fertigung hergestellter Konsolidierungswerkzeuge ermöglicht hierbei eine effiziente Prozessführung und die Bauteilfertigung innerhalb kurzer Zykluszeiten.
Die Funktionalisierung der Hohlstrukturen im Spritzgießprozess erfordert im Gegensatz zum Hinterspritzen von flächigen Organoblechen den Einsatz von Stützsystemen, welche das Hohlprofil von innen stabilisieren, da selbst dickwandige Hohlprofile unter den hohen Spritzgießdrücken kollabieren können. Je nach geometrischer Komplexität des Hohlprofils bieten sich hierbei feste, fluide oder partikelbasierte Stützkerne an. Im Rahmen des FUPRO-Projektes werden gekoppelte Prozess-Struktur-Simulationsstrategien erarbeitet, die es ermöglichen, das Umspritzen von Hohlprofilen detailliert zu untersuchen. Dabei werden die auf das Hohlprofil einwirkenden Drücke mit Hilfe von Formfüllsimulationen erfasst und in nachgeschaltete Struktursimulationen übertragen. Mithilfe dieser Methoden werden dann entsprechende Stützsysteme bewertet und experimentell erprobt.
Nun ist es den Partnern im Konsortium erstmals gelungen, das Bauweisenkonzept in die Realität umzusetzen. Hierbei wurden das vorkonsolidierte Hohlprofil (Durchmesser 60 mm) und ein zusätzliches Metallinsert nach entsprechender Vorbehandlung im Spritzgießwerkzeug positioniert. Das Einlegen des erwärmten Organoblechzuschnittes erfolgte anschließend unter Nutzung seriengerechter Transfersysteme. Im Spritzgießwerkzeug wurde das Organoblech umgeformt und gemeinsam mit dem Hohlprofil und dem Metallinsert spritzgießtechnisch funktionalisiert. Als Werkstoffe kommen für alle Komponenten glasfaserverstärkte Polyamide zum Einsatz.
Das Projekt FuPro wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ (Förderkennzeichen 02P14Z040 – 02P14Z049) und mit Mitteln aus dem Energie- und Klimafonds gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.
Bild 1: Einzelkomponenten im CAD (links) und fertiges FuPro-Bauteil (rechts)
Bild 2: Partner im Projekt FuPro und Förderhinweis
