FKM-Hybridbauteile bieten mit ihrer Eignung für die Umsetzung hochbelastbarer und geometrisch komplexer Leichtbaustrukturen ein erhebliches Leichtbaupotenzial. Durch den Einsatz thermoplastischer Kunststoffe können sie Zykluszeiten von unter einer Minute erreichen und bieten somit eine hohe wirtschaftliche Attraktivität. Um jedoch eine hochbelastbare Verbindung der Einzelkomponenten sicherzustellen, erfordert die Kombination der unterschiedlichen Werkstoffe: Metalle, Thermoplast-Faserkunststoffverbund (FKV) und Kunststoffe, einen hohen Vorbehandlungsaufwand – insbesondere die des metallischen Einlegers. Daher ist die Produktionstechnologie für diese Hybridstrukturen momentan nicht wettbewerbsfähig und wird derzeit noch nicht im industriellen Maßstab umgesetzt.
Das BMBF-Projekt hypro hat zum Ziel, diese Lücke zu schließen und ein tiefgreifendes Verständnis für thermoplastische FKM-Hybridstrukturen aufzubauen. Zu diesem Zweck hat das Projektkonsortium unter Koordination der Brose Fahrzeugteile SE & Co. KG, Bamberg eine durchgängig automatisierte Prozesskette zur Herstellung von FKM-Hybridbauteilen konzipiert und eine Anlage zu ihrer Umsetzung im Technikum des ILK aufgebaut und in Betrieb genommen.
Der aufgebauten Anlage liegt ein Spritzguss-Kombinationsprozess zu Grunde, bei dem tiefgezogene Metalleinleger mit vorkonfektionierten FKV-Patches kombiniert und mit faserverstärktem Kunststoff umspritzt werden. Um eine hoch belastbare Verbindung zwischen den Kunststoffkomponenten und dem Metalleinleger zu gewährleisten, wird dieser mittels Plasmatechnologie inline gereinigt und beschichtet. Zur Aktivierung der haftvermittelnden Plasmabeschichtung wird der Metalleinleger durch ein Induktionshandling innerhalb weniger Sekunden erwärmt und in das Spritzgießwerkzeug transferiert. Dort wird er anschließend mit dem FKV-Patch verpresst und umspritzt. Die Koordination der einzelnen Prozessschritte erfolgt über eine zentrale Steuereinheit. Diese überwacht den aktuellen Fortschritt eines jeden Einzelprozesses, regelt die Prozessparameter und reagiert auf Prozessschwankungen, etwa bei veränderten Heizraten. So wird sichergestellt, dass sowohl das FKV-Patch als auch der Metalleinleger in definierten Zuständen gefügt werden. Gleichzeitig erfasst die Steuereinheit durchgängig alle relevanten Prozess-, Qualitäts- und Umgebungsdaten, welche anschließend bauteilspezifisch in einer Datenbank IoT-Plattform "Detact" abgelegt werden. Dieser Datenstand ermöglicht nun umfangreiche Prozessstudien im Stückzahlbereich bis zu 10.000 und die Herausarbeitung relevanter Stellgrößen zur wirtschaftlichen Herstellung hochbelastbarer Hybridbauteile. Somit rückt das Ziel des Projektkonsortiums in greifbare Nähe: die Überführung der thermoplastischen FKM-Hybridbauweise in Großserienprozesse mit Taktzeiten unter einer Minute.
Das Verbundprojekt hypro wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter der Betreuung des Projektträgers Jülich PTJ gefördert. (FKZ 03XP0284A-J) Zur Projektseite geht es hier, weitere Informationen auch hier.
Projektleitung für das ILK: Prof. Dr. habil. Maik Gude, Professur für Leichtbaudesign und Strukturbewertung
Das Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) ist eine Forschungseinrichtung der Fakultät Maschinenwesen und der Fakultät Verkehrswissenschaften "Friedrich List" der Technischen Universität Dresden. Auf dem Gebiet des ressourcenschonenden Leichtbaus hoher Material- und Energieeffizienz führen rund 240 Mitarbeiter:innen umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durch. Die Arbeit am ILK ist geprägt vom Dresdner Modell des funktionsintegrativen Systemleichtbaus in Multi-Material-Design und basiert auf einem werkstoff- und produktübergreifenden Ansatz. Die Wissenschaftler:innen des ILK betrachten bei der Entwicklung neuer Konzepte, Prozesse und Produkte die gesamte Entwicklungskette: Werkstoff – Konstruktion – Simulation – Fertigung – Prototypentests – Qualitätssicherung – Kosten. Indem sie sich dabei am Konzept des Neutralleichtbaus orientieren, werden neben den klassischen, technischen und ökonomischen Aspekten auch die ökologischen Parameter sowie Fragestellungen unserer globalisierten Gesellschaft auf jeder Stufe dieser Kette integriert. Geleitet wird das ILK von einem vierköpfigen Vorstand: Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude (Professur für Leichtbaudesign und Strukturbewertung), Prof. Dr. rer. nat. Hubert Jäger (Professur für Systemleichtbau und Mischbauweisen), Prof. Dr.-Ing Niels Modler (Professur für Funktionsintegrativen Leichtbau) sowie Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr. h.c. Werner Hufenbach (Seniorprofessur).
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