Production of a Metal/Plastic Hybrid Structure via Impact Extrusion
Plastics Engineering
Final Report Abstract
Der Bedarf an neuen Verfahren und Einsatzmöglichkeiten für Kunststoff-Metall-Verbunde ist vor dem Hintergrund des anhaltenden Leichtbautrends relativ hoch. Kunststoff-Metall-Verbindungen befinden sich hier in Konkurrenz zu Faserverbundbauteilen, grenzen sich aber durch Vorteile wie die nachträgliche Bearbeitbarkeit, Oberflächengüte, bessere Automatisierungsmöglichkeiten in der Fertigung und spezifisch vorteilhafte Eigenschaften der Metallkomponente ab. Im Rahmen dieses Projekts wurden die zur Herstellung massiver Kunststoff-Metall-Verbundbauteile mittels Fließpressen erforderlichen Verfahrensgrundlagen erarbeitet und analysiert. Für die Verfahrensvariante des NRFP konnten wichtige Einflussparameter identifiziert werden (Dicke der Rohteilwand, Stempelradius, Werkzeugtemperierung, Kunststoffeigenschaften), die sich signifikant auf die Bauteilqualität auswirken. Neben dem NRFP wurde zudem die Verfahrensvariante VVFP untersucht. Die praktischen Versuche zeigten, dass bei beiden Varianten des Fließpressens die Herstellung versagensfreier Hybridbauteile grundsätzlich möglich ist. Vor allem beim NRFP wurden im Verlauf des Projekts Schwierigkeiten festgestellt, welche in der Folge Einschränkungen hinsichtlich der Höhe des fertigen Bauteils bewirkten. Die bislang höchste Kunststoffphase in der Napfwand, die erzeugt werden konnte, betrug 5 mm. Die Herstellung höherer Napfwände erforderte längere Rohteile, allerdings führte eine entsprechende Modifikation der Rohteilgeometrie unter Beibehaltung der Parameter Wanddicke und Innenkantenradius zu Rissen während des Umformens. Der Einfluss und die gegenseitige Wechselwirkung dieser Einflussparameter wurden bis zum Projektabschluss noch nicht vollständig untersucht. Des Weiteren wurden durch die jeweiligen Versuchsreihen Kenntnisse bezüglich der Aufschmelzung des Kunststoffs erworben. So wurde durch Untersuchung der gefertigten Musterteile erkannt, dass das Kunststoffgranulat beim NRFP eine deutlich bessere Plastifizierung erfuhr als beim VVFP. Dieser Umstand konnte auf die höhere Scherbeanspruchung des Granulats beim NRFP zurückgeführt werden. In diesem Zusammenhang konnte ebenso festgestellt werden, dass Bereiche, in denen keine hohe Scherbeanspruchung vorlag (bspw. im Napfboden) teilweise nicht plastifiziert wurden (Proben aus PA und PS). Eine Temperierung der Matrize auf 220°C, was einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffes entsprach, konnte diesen Umstand nicht verändern. Eine grundlegende Untersuchung hinsichtlich der Gebrauchseigenschaften konnte im Rahmen dieses Projekts nicht durchgeführt werden, da sich die erwartete formschlüssige Verbindung an den Mikrostrukturen der jeweiligen Phasenoberflächen nicht ausbildete. Der Einsatz eines Haftvermittlers auf die Oberfläche des metallischen Rohteils konnte keine Abhilfe schaffen, da die Oberflächenvergrößerung während der Umformung den Effekt des Haftvermittlers unterband. Die geplante Prozessuntersuchung mithilfe eines numerischen Simulationsprogramms konnte nur bedingt erfolgen. Die anfängliche Annahme, dass die Fließkurve des Kunststoffs über die Wärmeenergie und das strukturviskose Werkstoffverhalten zu ermitteln ist, erwies sich als nicht umsetzbar. Nach der ersten Versuchsreihe, wurde die weitere Forschungsarbeit dahingehend verändert, dass eine Fließkurve anhand von Zug- und Druckversuchen ermittelt wurde. Durch diese Maßnahme konnten deutliche Verbesserungen in der numerischen Abbildung des Umformvorgangs erreicht werden, welche eine Untersuchung des Umformvorgangs hinsichtlich verschiedener Ausgangsgeometrien ermöglichte. Um spezifischere Untersuchungen des Vorgangs durchführen zu können, müsste das Simulationsmodell jedoch einer weiteren Entwicklung unterzogen werden.
Publications
-
Investigations regarding the simultaneous processing of metal and plastic using full forward extrusion, International Cold Forging Group 49th Plenary Meeting (2016), Vol. 746, S. 75–79
Gerasimov, D.; Wälder, J.; Liewald, M.; Wellekötter, J.; Bonten, C.
-
Numerical investigations for simultaneously processing metal and plastic using impact extrusion. NUMIFORM (2016), S. 657 - 662
Wälder, J.; Wellekötter, J.; Felde, A.; Liewald, M.; Bonten, C.
-
Kunststoff- Metall-Fließpressen - Ein neues Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Metall- Hybriden In: 25th Stuttgarter Kunststoffkolloquium 2017, ISBN: 978-3-9818681-0-4
Wellekötter, J.; Marx, L.; Wälder, J.; Kast, O.; Liewald, M.; Bonten, C.
-
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils. Schutzrecht DE102016200121B3
Bonten, C.; Dörr, F.; Kast, O.; Liewald, M
