Makroskopische Übergangsstrukturen für einen gradierten Eigenschaftsübergang in hybriden Metall/Kunststoff-Verbunden - MÜGRA

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Birgit Awiszus; Professor Dr.-Ing. Guntram Wagner
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434351205

Das Projekt „Makroskopische Übergangsstrukturen für einen gradierten Eigenschaftsübergang in hybriden Metall/Kunststoff-Verbunden“ hat das Ziel, die Metall/Kunststoff-Grenzfläche beim Spritzgießen von faserverstärkten Thermoplasten durch variabel gestaltbare Metallstrukturen belastungsgerecht auszulegen. Durch die neuartige Gestaltung der Übergangszone im Bereich der makroskopischen Größenskala werden deutlich höhere mechanische Belastungen des Verbundes möglich. Wesentliches Ziel ist es, mit den Strukturen einen gradierten Übergang zwischen dem Metallblech und der Kunststoffkomponente zu erreichen. Die gradierte geometrische Gestaltung einer permeabler Strukturen aus Drahtspiralen bzw. spanend hergestellter Zellstrukturen soll einen allmählichen Eigenschaftsübergang bewirken. Ein weiterer Fokus liegt auf der variablen Gestaltung der Übergangsstrukturen, um für unterschiedliche Beanspruchungsarten belastungsgerecht Kräfte zu übertragen. Mit der werkstoffphysikalischen Modellierung der regelmäßig aufgebauten Struktur soll die Grundlage für die Simulation des Verbundverhaltens im Übergangsbereich gelegt werden. Die neuen Erkenntnisse zum Verbundverhalten werden an dem Werkstoffsystem aus verzinktem Stahlblech und kurzfaserverstärktem Polyamid erarbeitet. Um die Übergangstrukturen mit der Metallkomponente zu verbinden, werden stoffschlüssige Fügeverfahren weiterentwickelt, die eine effiziente Applikation und hohe Belastbarkeit erlauben. Insbesondere die Zinkschicht auf dem Stahl soll für die Anbindung der Übergangsstrukturen genutzt werden. Die Herstellung der hybriden Verbunde erfolgt durch Umspritzen der permeablen Übergangsstrukturen. Ziel ist es, simulativ durch Fluid-Struktur-Kopplung von CFD- und FEM-Simulation und experimentell das Verhalten von hochviskosen kurzfaserverstärkten Thermoplastschmelzen beim Durchströmen komplexer geometrischer Hindernisse zu untersuchen. Es werden neue Erkenntnisse über das Schwindungsverhalten von (faserverstärkten) thermoplastischen Kunststoffen in permeablen Strukturen sowie zum Ausrichtungsverhalten der Kurzfaserverstärkung beim Durchströmen der Strukturen in Abhängigkeit, der Permeabilität und der verfahrenstechnologischen Parameter gewonnen. Die einzelnen Prozesse werden systematisch erforscht und iterativ verbessert. Es wird eine signifikante Verbesserung des Anbindungsverhaltens im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Formschlusselementen erwartet. Die real auftretenden Belastungen in einem Metall/Kunststoff-Hybridbauteil sind durch komplexe überlagerte Spannungszustände der einzelnen Komponenten gekennzeichnet. Die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften des Werkstoffsystems Metall/Übergangsstruktur/-Kunststoff werden anhand geeigneter Prüfkörper ermittelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen