SPP 1712:  Intrinsic Hybridcomposites for Lightweight Construction Structures - Basics of Manufacturing, Characterisation and Mechanical Design

• Subject Area: Mechanical and Industrial Engineering ; Materials Science and Engineering
• Term: from 2014 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 237091934

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Das Ziel des Schwerpunktprogramms 1712 Intrinsische Hybridverbunde für Leichtbautragstrukturen ist die wissenschaftliche Untersuchung von ressourceneffizienten Produktionsverfahren zur Herstellung von lastoptimierten intrinsischen Hybridbauteilen. Unter einem intrinsischen Hybridverbund wird in diesem Zusammenhang ein integrales Bauteil aus einer endlosfaserverstärkten Komponente und einem metallischen Werkstoff verstanden, bei dem die Verbindung der verschiedenen Materialien im Ur- bzw. Umformprozess erfolgt. Für intrinsische Hybridverbunde ist somit kein nachgeschalteter Fügeprozess notwendig. Neben der Charakterisierung und Auslegung der intrinsischen Hybridverbunde soll eine Verkürzung der Zykluszeiten bei einer gleichzeitig hohen Reproduzierbarkeit erzielt werden. Zum Erreichen der Ziele werden deshalb innerhalb des Schwerpunktprogramms die Forschungsrichtungen Produktionstechnik, Werkstoffwissenschaften und Mechanik miteinander verknüpft. Dabei sind im Schwerpunkt Produktionstechnik neben den Herstellungsverfahren für intrinsische Hybridverbunde vor allem geeignete Qualitätssicherungskonzepte zu entwickeln. Im Bereich der Werkstoffwissenschaften steht die Charakterisierung und die Verbesserung der Anbindung zwischen metallischer und polymerer Komponente im Vordergrund, für die entsprechende Prüfmethoden bei bauteilnahen Beanspruchungen zu erforschen sind. Die mechanischen Forschungsherausforderungen bestehen in der Entwicklung von Material- und Strukturmodellen, bei denen Anisotropie, thermomechanische Kopplung und Grenzschicht präzise abgebildet werden sollen. Im Schwerpunktprogramm 1712 konnten mehrere Produktionsverfahren für die intrinsische Hybridisierung, wie beispielsweise das Schleuderverfahren oder das Schlauchblasverfahren, befähigt werden. Es wurden wichtige Erkenntnisse für die Einbringung von metallischen Elementen in einen Faserverbundkunststoff (FVK) im Bereich des Werkzeugdesigns, der Preformherstellung, der porenfreien Infiltration und der Vorbehandlung der Grenzschicht erarbeitet, die in Form von Handlungsempfehlungen und Gestaltungsrichtlinien in vielen hochwertigen Veröffentlichungen publiziert wurden. Darüber hinaus sind durch das SPP1712 verschiedene numerische Struktur- und Materialmodelle für intrinsische Hybridverbunde entwickelt worden, welche eine hohe Prognosegüte aufzeigen. Mit angepassten Qualitätssicherungsmethoden und Prüftechniken für bauteilnahe Beanspruchungen können die Hybridbauteile geprüft und validiert werden. Um die Praxistauglichkeit der Entwicklungen unter Beweis zu stellen und potenzielle Einsatzfelder zu identifizieren, wurden in der zweiten Phase des SPP1712 anwendungsnahe Demonstratorbauteile hergestellt und der Industrie im Rahmen eines öffentlichen Messeauftritts zugänglich gemacht.

Publications

• Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung mehrskalig oberflächenstrukturierter Hohlprofile mittels mediengestützten Umformens, Deutsches Patentamt, DE102014000944 B3
  Gude M, Hufenbach W, Maaß J, Mauermann R, Grützner R
  
• Manufacturing of polygon fiber reinforced plastic profiles by rotational molding and intrinsic hybridization. Production Engineering 2015;9(3):317–28
  Fleischer J, Koch S-F, Coutandin S
  
• Herstellung eines einen Faser- Kunststoff-Verbund aufweisenden Bauteils: DE 10 2016 120 864.7, 2016
  Tröster T, Reuter C, Wang Z, Lauter C, Marten T
  
• Intrinsic hybrid composites for lightweight structures: tooling technologies. In: Advanced Materials Research: Trans Tech Publ, p. 247–254
  Wang Z, Riemer M, Koch SF, Barfuss D, Grützner R, Augenthaler F et al.
  
• Production and modelling of an intrinsic hybrid metal composite for automotive parts. International Journal of Automotive Composites 2016;2(3-4):209–28
  Kießling R, Ihlemann J, Riemer M, Drossel W-G
  
• Effects of defects in series production of hybrid CFRP lightweight components–detection and evaluation of quality critical characteristics. Measurement 2017;95:389–94
  Berger D, Brabandt D, Bakir C, Hornung T, Lanza G, Summa J et al.
  
• Microscale simulation of adhesive and cohesive failure in rough interfaces. Engineering Fracture Mechanics 2017;178:416–32
  Hirsch F, Kästner M
  
• A process and load adjusted coating system for metallic inserts in hybrid composites. Production Engineering 2018;12(2):249–57
  Kießling R, Ihlemann J, Riemer M, Drossel W-G, Dittes A, Scharf I et al.
  
• Evaluation of residual stress development in FRP-metal hybrids using fiber Bragg grating sensors. Production Engineering 2018;12(2):259–67
  Prussak R, Stefaniak D, Hühne C, Sinapius M
  
• Experimental and numerical study of the influence of integrated load transmission elements on filling behavior in resin transfer molding. Composite Structures 2018;198:135–43
  Magagnato D, Seuffert J, Bernath A, Kärger L, Henning F
  
• Finite element optimisation for rotational moulding with a core to manufacture intrinsic hybrid frp metal pipes. Production Engineering 2018;12(2):239–47
  Nieschlag J, Ruhland P, Daubner S, Koch S-F, Fleischer J
  
• Multi-scale structuring for thermoplastic-metal contour joints of hollow profiles. Production Engineering 2018;12(2):229–38
  Barfuss D, Grützner R, Hirsch F, Gude M, Müller R, Kästner M
  
• Predictive quality control of hybrid metal-CFRP components using information fusion. Production Engineering 2018;12(2):161–72
  Berger D, Zaiß M, Lanza G, Summa J, Schwarz M, Herrmann H-G et al.
  
• Production-based design of a hybrid load introduction element for thin-walled CFRP Structures. Production Engineering 2018;12(2):113–20
  Groß L, Herwig A, Berg DC, Schmidt C, Denkena B, Horst P et al.
  
• Shear strength and failure behaviour of laser nano-structured and conventionally pre-treated interfaces in intrinsically manufactured CFRP-steel hybrids. Composites Part B: Engineering 2018;151:173–85
  Zinn C, Bobbert M, Dammann C, Wang Z, Tröster T, Mahnken R et al.
  
• Smart cure cycles for fiber metal laminates using embedded fiber Bragg grating sensors. Composite Structures 2019;213:252–60
  Prussak R, Stefaniak D, Kappel E, Hühne C, Sinapius M
  
• Failure behaviour of metal inserts embedded in CFRP subsequent to thermal, mechanical and cyclic pre-damage. Composite Structures 2020;236:111877
  Muth M, Pottmeyer F, Weidenmann KA
  
• Investigation of Asymmetrical Fiber Metal Hybrids Used as load Introduction Element for Thin-Walled CFRP Structures. 14th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, Gulf of Neaples, Italy, - Procedia CIRP ICME '20
  Herwig A, Schmidt C, Horst P