Effiziente Sandwich-Leichtbaustrukturen mit hoher Oberflächengüte
Faserverbundkunststoffe und die Sandwichbauweise sind als Leichtbau-Technologien etabliert. Sie ermöglichen enorme Gewichtseinsparungen bei der Umsetzung von hochbelastbaren Strukturbauteilen und werden etwa für Flugzeug- und Fahrzeuganwendungen eingesetzt. Was diesen Bauteilen bisher für eine breite Anwendung fehlt, sind glatte, optisch ansprechende Oberflächen. In einem gemeinsamen Projekt entwickeln die Firmen ElringKlinger AG, Daimler Truck AG, ThermHex Waben GmbH, Edevis GmbH und das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS dafür Lösungen und zugleich die passenden Verfahren für Fertigung und Qualitätsprüfung. Die Partner setzen dabei auf Metall-Kunststoff-Hybrid-Sandwichmaterialien.
Besonders leistungsfähige Leichtbaulösungen bietet die Sandwichbauweise, bei der beispielsweise ein leichter wabenförmiger Stützkern mit dünnen und sehr steifen Deckschichten kombiniert wird, wodurch sich hohe Biegesteifigkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte ergeben. Gegenüber der monolithischen Bauweise lassen sich damit Gewichtseinsparungen von bis zu 80 Prozent realisieren. Für den Einsatz thermoplastischer faserverstärkter Kunststoffe in Sandwichverbunden bestehen großserientaugliche Produktionslösungen, die material- und kosteneffizient sind. Zudem sind diese Halbzeuge gut recycelbar. Für Lkw- und Caravan-Aufbauten werden sie bereits erfolgreich eingesetzt.
Um weitere Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen, muss ein bisheriger Nachteil der Sandwich-Leichtbaustrukturen überwunden werden: Sie haben keine perfekte Oberfläche, wie sie zum Beispiel in der Automobilindustrie gefordert ist. Ohne aufwändige Nacharbeiten sind an den Oberflächen stets die Verstärkungsfasern zu erkennen, zudem können dort, wo die Zwischenräume des Stützkerns sind, die Decklagen in die Wabenzellen einfallen. Die Projektpartner beabsichtigen das zu lösen, indem sie Wabenkerne mit besonders kleinen Zellweiten verwenden und die faserverstärkten Bauteile mit einer metallischen Deckschicht versehen, die eine glatte und somit optimale Oberfläche bildet (Class A-Oberfläche).
»Wir nutzen Organosandwich-Halbzeuge, also einen thermoplastischen Wabenkern mit verstärkten Decklagen aus Faserverbundkunststoff. Diese erhalten zusätzlich stoffschlüssig angebundene metallische Decklagen, etwa ein dünnes Metallblech oder eine Metallfolie. Mit diesem Metall-Kunststoff-Hybrid-Material zielen wir darauf ab, das enorme Gewichts- und Kosteneinsparungspotenzial der Sandwichbauweise und -technologie für die großserientaugliche Herstellung von Leichtbaustrukturen mit kritischen Oberflächenanforderungen zu erschließen«, sagt Matthias Biegerl, Koordinator des Verbundprojektes bei ElringKlinger.
Um die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes nachzuweisen, wollen die Projektpartner in dem bis 31. Oktober 2022 laufenden Projekt einen Demonstrator herstellen, der einem existierenden Bauteil aus einem Lkw entspricht, das derzeit in monolithischer Kunststoff-Spritzguss-Bauweise gefertigt wird: den Deckel eines Staufachs. Die Kombination der Kompetenzen der Projektpartner ermöglicht es, nicht nur dieses Bauteil in den Blick zu nehmen, sondern auch die Verarbeitungstechnologie, Funktionsintegration und das Prüfverfahren während der Herstellung. »Parallel zum Demonstrator wollen wir Auslegungs-, Prozess- und Qualitätssicherungsmethoden für Metall-Kunststoff-Hybrid-Sandwichmaterialien im Pilotmaßstab entwickeln«, sagt Dr. Ralf Schlimper, Projektleiter am Fraunhofer IMWS.
Zu den Zielen des Forschungsteams gehören deshalb die Entwicklung geeigneter Umformverfahren (u.a. 3D-geformte Oberflächen, Dickensprünge, Randabschluss), die Funktionalisierung mittels Spritzguss (u.a. Lasteinleitungs- und Funktionselemente) sowie die Erarbeitung von Lösungen für eine zerstörungsfreie, inlinefähige Prüfmethode auf Basis von aktiver Thermographie. Letztere ist nicht nur zur Qualitätssicherung bei späteren Anwendern essentiell, sondern auch für die Bewältigung der material- und prozessseitigen Herausforderungen während des Forschungsprojekts. Dazu gehören die sichere Anbindung zwischen dem thermoplastischen Sandwich und der metallischen Deckschicht, die Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit sowie die Steuerung des Umformprozesses, etwa für den nötigen thermischen Zustand der Sandwichstruktur, der eine 3D Umformung erlaubt, ohne dass der Kern schmilzt und somit instabil wird.
Natürlich sind auch Geometrie/Formgebung, mechanische Performance und Reparaturfähigkeit im Fokus der Projektpartner. Für die gestalterische Vielfalt, die sich beim Einsatz von 3D-umformbaren Sandwichverbunden ergibt, sollen Berechnungsmethoden für die Prozess- und Strukturauslegung sowie Designempfehlungen für die Funktionalisierung und Bauteilgestaltung entwickelt werden.
Biegerl fasst die angestrebten Vorteile zusammen: »Unser Fokus liegt darauf, erstmals Sandwich-Leichtbaustrukturen mit Class-A-Oberflächenqualität zu ermöglichen und zugleich einen hohen Grad der Funktionsintegration durch kosteneffizientes Anspritzen von Funktionselementen und inlinefähige Prüftechnologie in einer serientauglichen Umformtechnologie zu realisieren. Die Vorteile der Sandwich-Idee wie die mechanische Performance, Gewichtseinsparung und hohe Wirtschaftlichkeit der Halbzeugherstellung und der Bauteilverarbeitung bleiben erhalten. Damit können wir den Weg für einen breiten Markteintritt dieser Technologie bereiten, insbesondere im Bereich Automobilindustrie.«
Quelle: Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS