A hybrid casting process for the manufacturing of intrinsic CFRPaluminum compounds
Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
Final Report Abstract
Im Projekt wurde ein neuartiges Verfahren zum Verbinden von CFK und Aluminium im urformenden Fertigungsschritt des Aluminiumdruckgießens zu einem intrinsischen Hybrid entwickelt und untersucht. Die CFK-Komponente mit PEEK Matrix wird dabei in Aluminium eingegossen, so dass keine zusätzlichen Fügeelemente erforderlich sind. Eine definierte PEEK-Schicht schützt das CFK im Prozess vor der Aluminiumschmelze und trennt beide Materialien. Eine Charakterisierung der Verbindungstechnologie erfolgte über Single-Lap Probekörper. Auf mit PEEK beschichtete CFK-Organobleche wurde ein Aluminiumkörper (AlSi10MnMg) angegossen. Im Laufe des Projektes wurde der Einfluss der Aluminiumgussteildicke sowie der PEEK-Schichtdicke und der Prozessparameter des Aluminiumdruckgießprozesses betrachtet und optimiert. Eine PEEK-Schichtdicke von 250 µm und ein Gussteildicke von 10 mm erwiesen sich als zielführend. Eine Erhöhung der Schmelzetemperatur, der Anschnittgeschwindigkeit, der Zuhaltezeit und des Nachdrucks im Aluminiumdruckgießprozess führten zu einer Erhöhung der Verbindungsfestigkeit, während eine Erhöhung der Werkzeugformtemperatur zur einer Verringerung der Verbindungsfestigkeit führte. Durch die Optimierung der Prozessparameter wurde eine Zugscherfestigkeit von max. 24 MPa an den Single-Lap Prüfkörpern erreicht. Eine definierte Wärmebehandlung nach dem Aluminiumdruckgussprozess (Abschrecken und Warmauslagern) hat einen positiven Einfluss auf die Verbindungsfestigkeit. Die thermische Beanspruchung infolge des Auftreffens der Aluminiumschmelze auf die PEEK-Schicht führt zur Porositäten in dieser durch gasförmige Zersetzungsprodukte. Dennoch treten hohe Verbindungsfestigkeiten ohne Formschluss oder Kraftschluss auf. Durch Schliffbilder und REM Aufnahmen der Grenzfläche zwischen PEEK und Aluminium, konnte eine Mikroverzahnung als Kraftübertragung ausgeschlossen werden. Die Aufnahmen zeigen eine klare Trennung zwischen den unterschiedlichen Materialien. DSC und TGA Analysen der PEEK-Schicht deuten darauf hin, dass die thermische Beanspruchung des Aluminiumdruckgießens keine signifikanten Degradationen in der PEEK-Schicht auslösen. Mittels XPS und IR- Spektroskopie wurden allerdings Degradationsprozesse in Form von Komplexbildung zwischen dem Sauerstoff des PEEK und Aluminium in der Grenzfläche nachgewiesen. TEM-Aufnahmen und EDX Analyse zeigen eine ausreichend nahe Grenzfläche zwischen PEEK und Aluminium für eine physikalische bzw. chemische Wechselwirkungen. Eine numerische Beschreibung der hybriden Verbindungen erfolgte mittels eines Kohäzivzonenmodells, das die Haftung zwischen PEEK und Aluminium abbildet. Die erforderlichen bruchmechanischen Kennwerte wurden durch Versuche an der Verbindung zu den Versagensmodi identifiziert. Das erstellte numerische Modell zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Für eine numerische Abbildung des thermischen Einflusses auf die PEEK Grenzschicht, wurden Materialmodelle hinsichtlich des thermomechanische Verhaltens angepasst. Durch eine Subroutine von Typ USDFLD konnte der thermischen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des teilkristallinen PEEK während des Abkühlprozesses berücksichtigt werden. Als Demonstrator-Struktur wurde ein Hatrack Bracket ausgewählt und umgesetzt. Hierbei ist der verschraubte Teil mit komplexen Spannungsverläufen aus isotropem Aluminium gefertigt, der auf zugbelastete Teil aus anisotropem CFK. Da eine durchgängige CFK-Struktur in das Aluminium eingegossen wurde, erfolgte die Kraftübertragung über einen Formschluss. Das Hybridgussverfahren wurde 2020 mit dem 3. Platz des AVK-Preises in der Kategorie „Prozesse und Verfahren“ ausgezeichnet.
Publications
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(2017): Damage analysis of cohesive layer of intrinsic aluminum CFRP hybrid composites produced in high pressure die casting with polymer based decoupling layer; Präsentation “Lightmat”, 2nd conference & exhibition on light materials, 08.11-10.11.17, Bremen
Struß, A., Hochrainer, T., Schmid, A., Arnaut, K., Clausen, J., Koerdt, M.
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(2017): Gießtechnische Konzepte zur Realisierung neuartiger Aluminium-Faserverbund-Verbindungstechniken; Landshuter Leichtbaukolloquium, 08.03 - 09.03.17, Hochschule Landshut
Clausen, J., Van der Auwera, R., Schmid, A.
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(2017): Herstellung intrinsischer CFK-Aluminium Verbundstrukturen im Aluminiumguss; DGM Fachausschuss hybride Werkstoffe und Strukturen, 15.05 - 16.05.17, Institut für Metallurgie, TU Clausthal
Schmid, A.
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(2017): Intrinsic aluminum CFRP hybrid composites produced in high pressure die casting with polymer based decoupling layer; DGM Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, 05.07.-07.07.17, Bremen
Schmid, A., Arnaut, K., Clausen, J., Koerdt, M., Struss, A., Wöstmann, F.-J., Busse, M.
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(2017): Intrinsic aluminum CFRP hybrid composites produced in high pressure die casting with polymer based decoupling layer; Key Engineering Materials, Vol. 742, pp 197-204
Schmid, A., Arnaut, K., Clausen, J., Koerdt, M., Struss, A., Wöstmann, F.-J., Busse, M.
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(2018): Process concepts for the manufacturing of hybrid composites made from aluminum and CFRP with a polymer-based decoupling layer; Hybrid Materials and Structures 2018, Bremen
Schmid, A., Arnaut, K., Clausen, J., Koerdt, M., Struß, A., Wöstmann, F.-J., Busse, M.
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Description of the Boundary Layer Behavior of an Aluminum–Carbon-Fiber-Reinforced Polymer Hybrid Compound Using a Cohesive Zone Model; J Fail. Anal. and Preven. (2020) 20:930–935
Struß, A., Schmid, A., Ebrahimi, A., Jablonski, F., Busse, M.
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(2021): Hybrid casting – An investigation into the interface of high-pressure die-cast intrinsic aluminum-PEEK-CFRP hybrid composites; IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 1147, no. 1, p. 012022
Schmid, A., Haubold, T., Koschek, K., Marx, A., Pursche, L., Struß, A., Thiel, K., Wiesing, M., Busse, M.
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(2021): Influence of the aluminum die casting process on PEEK layered CFRP in the manufacturing of a hybrid connection; IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 1147, no. 1, p. 012018
Marx, A., Schmid, A., Haubold, T., Pursche, L., Schiebel, P., Herrmann, A.
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(2021): Manufacturing of a hybrid CFRP aluminum structure using high pressure die casting; International Conference on Manufacturing of Advanced Composites, 20.-22.10. 2021
Marx, A., Struß, A., Schiebel, P., Clausen, J.
