Development of the theoretical and technological fundamentals for intrinsic thermoplastic composite/metal hollow profiles with load-adapted cross-scale form fit

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Maik Gude; Professor Dr.-Ing. Markus Kästner; Dr.-Ing. Roland Müller
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials ; Lightweight Construction, Textile Technology ; Mechanics ; Production Automation and Assembly Technology
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 256127863

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

In diesem Teilprojekt wurde eine intrinsisch gefertigte Hybridverbindung am Beispiel einer generischen Zug-/Druck-Strebe mit einem CF/PA6 Tape-geflochtenen Hohlprofil in Kombination mit einem mehrskalig strukturierten Aluminium-Lasteinleitungselement vorgestellt. Weiterhin wurde der komplette Entwicklungsprozess beginnend mit dem Bauteildesign und der Auslegung über die Entwicklung effizienter Herstellungsverfahren bis hin zur experimentellen Bauteilprüfung im Rahmen einer Buchveröffentlichung publiziert. Ergänzend dazu erfolgte in diesem Bericht eine Beschreibung der thermomechanischen Modellierung des PA6 und verstärkten FKV mit Hilfe eines neuen Materialmodells. Es wurde eine kombinierte experimentell-numerische Methodik zur Parameteridentifikation vorgestellt und eine Eigenspannungsanalyse anhand der Ergebnisse einer Prozesssimulation durchgeführt. Das entwickelte Modell ermöglicht einen Einblick in die Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehung und erlaubt die Identifikation optimierter Prozessparameter. Die umfangreichen experimentellen Bauteilversuche demonstrieren die Tragfähigkeit der Verbindung und das hohe Potenzial einer mehrskaligen Strukturierung zur Erhöhung der übertragbaren Lasten. Das realitätsnahe Einsatzpotential der Verbindung wurde in diesem Bericht ergänzend durch mediale Belastungsversuche und anschließende mechanische Prüfung aufgezeigt.

Publications

• Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung mehrskalig oberflächenstrukturierter Hohlprofile mittels mediengestützten, Deutsches Patentamt, DE102014000944 B3
  Gude, M.; Hufenbach, W.; Maaß. J.; Mauermann, R.; Grützner, R.
  
• Efficient manufacturing methods for hybrid metal-polymer components. ASME 2016 International Mechanical Engineering Congress & Exposition, November 11-17, Phoenix Arizona, United States, 2016
  Landgrebe, D.; Müller, R.; Haase, R.; Scholz, P.; Riemer, M.; Albert, A.; Grützner, R.; Schieck, F.
  (See online at https://doi.org/10.1115/IMECE2016-65621)
• Hybrid Metal-Composite Interfaces: Aspects of Design, Characterisation, and Simulation, Advanced Materials Research, Vol. 1140, pp. 255-263, 2016
  Kießling, R.; Hirsch, F.; Dammann, C.; Bobbert, M.; Pohl, M.; Kästner, M.
  (See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1140.255)
• Intrinsic Hybrid Composites for Lightweight Structures: New Process Chain Approaches. Advanced Materials Research, Vol. 1140, pp. 239-246, 2016
  Koch, S. F.; Barfuss, D.; Bobbert, M.; Groß, L.; Grützner, R.; Riemer, M.; Stefaniak, D.; Wang, Z.
  (See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1140.239)
• Intrinsic Hybrid Composites for Lightweight Structures: Tooling Technologies, Advanced Materials Research, Vol. 1140, pp. 247-254, 2016
  Wang, Z.; Riemer, M.; Koch, S. F.; Barfuss, D.; Grützner, R.; Augenthaler, F.; Schwennen, J.
  (See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1140.247)
• Intrinsic manufacture of hollow thermoplastic composite/metal structures. Proceedings of the 19th International ESAFORM Conference on Material Forming., pp. 170024-1- 170024-6, 2016
  Barfuss, D.; Grützner, R.; Garthaus, C.; Gude, M.; Müller, R.; Langrebe, D.
  (See online at https://doi.org/10.1063/1.4963580)
• Microscale simulation of adhesive and cohesive failure in rough interfaces. Engineering Fracture Mechanics 178:416–432, 2017
  Hirsch, F,; Kästner, M.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.02.026)
• Numerical study of adhesive and cohesive failure of structured interfaces. In: Proc. Appl. Math. Mech. 17 (1), S. 597–598, 2017
  Hirsch, F.; Kästner, M.
  (See online at https://doi.org/10.1002/pamm.201710268)
• On the Design, Characterization and Simulation of Hybrid Metal-Composite Interfaces. Applied Composite Materials 24, 251–269, 2017
  Kießling, R.; Ihlemann, J.; Pohl, M.; Stommel, M.; Dammann, C.; Mahnken, R.; Bobbert, M.; Meschut, G.; Hirsch, F.; Kästner, M.
  (See online at https://doi.org/10.1007/s10443-016-9526-z)
• Damage evolution in fiber reinforced polymer‐metal joints – modeling and simulation. In: Proc. Appl. Math. Mech. 18 (1), 2018
  Hirsch, F.; Kästner, M.
  (See online at https://doi.org/10.1002/pamm.201800449)
• Damage Mechanism and Effective Properties of Multi-Material Boundary Layers. In: Proceedings of the 18th European Conference on Composite Materials, Athens, 2018
  Hirsch, F.; Kästner, M.
  
• Design and intrinsic processing of a hybrid CFR-TP contour joint with a multi-scale structured load introduction element. Proceedings in Hybrid - Materials and Structures 2018
  Würfel V., Barfuß D., Grützner R. et al.
  
• Integral blow moulding for cycle time reduction of CFR-TP aluminium contour joint processing. 21st International ESAFORM Conference on Material Forming. Proceedings:50003., 2018
  Barfuss D., Würfel V., Grützner R. et al.
  (See online at https://doi.org/10.1063/1.5034876)
• Multi-scale structuring for thermoplastic-metal contour joints of hollow profiles. Production Engineering 12, 229–238, 2018
  Barfuss, D.; Grützner, R.; Hirsch, F.; Gude, M.; Müller, R.; Kästner, M.
  (See online at https://doi.org/10.1007/s11740-018-0800-9)
• Hybrid Fibre Reinforced Thermoplastic Hollow Structures with a Multi-Scale Structured Metal Load Introduction Element. Proceedings in Hybrid - Materials and Structures 2020
  Würfel V., Grützner R., Hirsch F. et al.
  
• Bauteilnahe Beanspruchungen und Gestaltungsrichtlinien. In: Jürgen Fleischer (Hg.): Intrinsische Hybridverbunde für Leichtbautragstrukturen. Grundlagen der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung. Springer Berlin Heidelberg, S. 265–286., 2021
  Weidenmann, K.; Bobbert, M.; Dammann, C.; Günther, F.; Grützner, R.; Herwig, A. et al.
  (See online at https://doi.org/10.1007/978-3-662-62833-1_5)
• Combined External and Internal Hydroforming Process for Aluminium Load Introduction Elements in Intrinsic Hybrid CFRP Contour Joints. Technologies for economic and functional lightweight design. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg, 2021; S. 253–266., 2020
  Grützner R., Würfel V., Müller R. et al.
  (See online at https://doi.org/10.1007/978-3-662-62924-6_22)
• Hybride Hohlstrukturen für Wellen und Streben. In: Jürgen Fleischer (Hg.): Intrinsische Hybridverbunde für Leichtbautragstrukturen. Grundlagen der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung. Springer Berlin Heidelberg, S. 205–264, 2021
  Gude, M.; Barfuß, D.; Coutandin, S.; Fleischer, J.; Grützner, R.; Hirsch, F. et al.
  (See online at https://doi.org/10.1007/978-3-662-62833-1_4)
• Micromechanical analysis of failure in fiber reinforced polymer‐metal structures. In: Proc. Appl. Math. Mech. 20 (1)., 2021
  Hirsch, F.; Natkowski, E.; Kästner, M.
  (See online at https://doi.org/10.1002/pamm.202000235)