TU Dresden: Multi-Material-Design für die Großserie - Leichtbauer kombinieren Organobleche, Faserverbund-Hohlprofile und Spritzgieß-Knotenstrukturen in einem Prozess

Einzelkomponenten im CAD (links) und fertiges FuPro-Bauteil (rechts) – (Bild: TU Dresden).

Hochintegrative Mehrkomponentenbauweisen mit faserverstärkten Thermoplasten erlauben eine besonders hohe Gewichtsreduktion und Fertigungseffizienz. Im BMBF-Projekt FuPro hat ein interdisziplinäres Team aus Industrie und Wissenschaft unter Federführung der Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. KG und des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden diese Bauweise erstmals mit ThermoplastFaserverbund-Hohlprofilen umsetzen können.

Für die beanspruchungsgerechte Gestaltung von Leichtbau-Tragstrukturen haben sich die Partner auf eine modulare Kombination von torsions- und biegesteifen Hohlprofilen mit komplexen Knoten und flächigen Bauelementen in einer Tragstruktur konzentriert. Während Organoblech-Spritzguss-Hybridstrukturen bereits an der Schwelle zur Serienanwendung stehen, ließen sich geschlossene Hohlprofile mit kontinuierlichem Faserverlauf bisher nicht im Sinne eines modularen Baukastensystems in thermoplastische FKV-Hybridstrukturen integrieren.

Seit 2015 entwickelte das Team der Projektpartner um Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude und Dr. Robert Kupfer unter dem Dach der Forschungsplattform FOREL automatisierte Technologien für die Kombination von Organoblechen, Hohlprofilen und langfaserverstärkten Kunststoffen. Das Konzept basiert auf einer Prozesskette zur Fertigung und Weiterverarbeitung komplex geformter topologischer Hohlprofile aus Thermoplast-Hybridgarnen. Die aus schlauchförmigen Halbzeugen hergestellte, mehrlagige Preform wird in ein Konsolidierungswerkzeug eingelegt, wobei die textile Architektur sehr flexible Biegeradien und Querschnittsgeometrien erlaubt. Die Konsolidierung erfolgt in einem variothermen Schlauchblasprozess mittels einer innen liegenden Pressmembran. Dünnwandige, additiv hergestellte Konsolidierungswerkzeuge ermöglichen hierbei eine effiziente Prozessführung und kurze Zykluszeiten.

Die Funktionalisierung der Hohlstrukturen im Spritzgießprozess erfordert im Gegensatz zum Hinterspritzen von flächigen Organoblechen den Einsatz von Stützsystemen. Sie stabilisieren das Hohlprofil von innen, da selbst dickwandige Hohlprofile unter den hohen Drücken kollabieren können. Je nach geometrischer Komplexität des Hohlprofils bieten sich hierbei feste, fluide oder partikelbasierte Stützkerne an. Die Forscher erarbeiten in FuPro gekoppelte Prozess-Struktur-Simulationsstrategien, die eine detaillierte Untersuchung des Hohlprofil-Umspritzens erlauben. Dabei erfassen Formfüllsimulationen die auf das Hohlprofil einwirkenden Drücke und übertragen sie in nachgeschaltete Struktursimulationen. Mithilfe dieser Methoden werden dann entsprechende Stützsysteme bewertet und experimentell erprobt.

Zur realitiätsnahen Umsetzung des Bauweisenkonzeptes haben die Partner im Konsortium das vorkonsolidierte Hohlprofil (Durchmesser 60 mm) und ein zusätzliches Metallinsert nach entsprechender Vorbehandlung im Spritzgießwerkzeug positioniert. Anschließend wird der erwärmte Organoblechzuschnitt mit seriengerechten Transfersystemen eingelegt. Im Spritzgießwerkzeug wird 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.

Weitere Informationen: tu-dresden.de/ing/maschinenwesen/ilk

Technische Universität Dresden, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, Dresden

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