wbk Jahresbericht 2024 final inkl Inhaltslink - Flipbook - Seite 51
D I S S E R TAT I O N E N
STUDIUM UND LEHRE
VERÖFFENTLICHUNGEN
Dissertationen
Gestaltung und Prozessanalyse für im Schleuderverfahren hergestellte FKV-Metall-Hohlstrukturen
Ziel des Vorhabens
Die zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels erfordern Lösungen, um den Ausstoß von
klimaschädlichen Treibhausgasen zu reduzieren.
Eine Möglichkeit besteht darin, Leichtbaukomponenten einzusetzen, die während der Lebensdauer von bewegten Systemen Energie einsparen
können. Hybride Zugstangen oder Antriebswellen
aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) mit metallischen Funktions- oder Lasteinleitungselementen
bieten dafür Potenzial. Entsprechende Bauteile aus
duroplastischer Matrix mit Endlosfaserverstärkung
können mit dem neuartigen Schleuderverfahren
intrinsisch hergestellt werden. Bei der intrinsischen
Hybridisierung werden FKV und Metall durch Uroder Umformen verbunden, ohne dass nachgeschaltete Fügeverfahren wie Schrauben, Nieten oder
Kleben notwendig sind. Im Schleuderverfahren wird
dabei ein trockener Faserpreform zusammen mit
metallischen Funktionselementen in eine geschlossene Werkzeugform gegeben und unter Rotation
mit einer duroplastischen Matrix imprägniert. Bisherige Forschungsarbeiten haben nur die allgemeine
Machbarkeit des intrinsischen Schleuderverfahrens
bewiesen. Die mechanischen Festigkeiten der Hybridverbindungen und die erreichbaren Zykluszeiten
für die Imprägnierung des trockenen Faserpreforms
sowie die Aushärtung der Matrix sind noch unbekannt.
Vorgehensweise
Um diesen bestehenden Defiziten zu begegnen,
wird ein Lösungsansatz entwickelt. Dieser umfasst
die mechanische Charakterisierung von geschleuderten FVK-Metall-Bauteilen, den Aufbau von Finite-Elemente-Modellen zur Designoptimierung und
die Entwicklung einer numerischen Formfüllsimulation zur Bestimmung der Entformungszeit.
Ergebnisse
Zunächst werden Zugversuche durchgeführt, um
geeignete Oberflächenbehandlungen für die metallischen Lasteinleitungselemente zu identifizieren
mit denen sich die Adhäsion zwischen Laminat und
Metalloberfläche verbessern lässt. Dazu werden die
hybriden Probekörper in stoffschlüssige und formschlüssige Prüfkörper unterteilt. Basierend auf diesen
Erkenntnissen werden numerische Simulationsmodelle zur Optimierung von geschleuderten FVK-Metall-Zugstangen mit stoff- und formschlüssigen
Verbindungen entwickelt. Die FE-Modelle werden
parametrisiert, sodass die Geometrieparameter in
vorgegebenen Grenzen verändert werden können.
Zudem wird eine Kostenfunktion definiert, um die
resultierenden Spannungen zu bewerten und eine
optimale Form zu bestimmen. Die optimale Geometrie wird im Anschluss mit experimentellen Zugprüfungen validiert. Weiterhin wird eine numerische
Formfüllsimulation entwickelt, um die Imprägnierund Aushärtezeiten zu bestimmen. Dafür werden
geeignete Modelle für Viskosität, Permeabilität und
Aushärtungsgrad ausgewählt und an die verwendeten Materialparameter angepasst. Die berechneten
Zeiten werden mit experimentellen Ergebnissen validiert. Es zeigt sich, dass mit einer geeigneten Parameterwahl Tränkungszeiten im einstelligen Minutenbereich realisiert werden können.
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Autor:
Dr.-Ing. Jonas Nieschlag
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Geschleuderte Zug-Druck-Stange aus FKV mit metallischen Lasteinleitungselementen (Abbildung: wbk)
Institut für Produktionstechnik Jahresbericht 2023
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