29.01.2016

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Spritzgegossene Kunststoff/Metall-Strukturbauteile - Leichtbauteile in hohen Stückzahlen mit vorhersehbaren Bauteileigenschaften

Strukturbauteile aus einem Kunststoff/Metall-Verbund vereinen die hohen mechanischen Eigenschaften der Metalle mit der Gestaltungsfreiheit und dem Funktionalisierungspotenzial der Kunststoffe. Der entscheidende Vorteil ist jedoch die Gewichtsreduktion, die durch die Kombination der beiden artfremden Materialien erzielt wird. Die Kombination der unterschiedlichen Fertigungsverfahren des Tiefziehens und Spritzgießens zu einem Kombinationsverfahren bietet darüber hinaus einen Ansatz zum wirtschaftlichen Leichtbau. Damit kann den Anforderungen an die hohen Stückzahlen im Fahrzeugbau begegnet werden.

Das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen erforscht zusammen mit dem Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL) der TU Dortmund das Kombinationsverfahren aus Tiefziehen und Spritzgießen. Dabei werden die metallischen Blecheinleger zeitgleich mit dem Formgebungsprozess der Kunststoffkomponente in ihre finale Geometrie umgeformt. Mithilfe einer kombinierten Werkzeugtechnik geschieht dabei die Blechumformung sowohl durch die Schließbewegung der Spritzgießmaschine als auch durch den Einspritzdruck der Kunststoffschmelze. Mit dem Verfahren lassen sich Blecheinleger bis zu 2,0 mm Dicke umformen. Voraussetzung für dieses Kombinationsverfahren ist die stoffschlüssige Verbindungstechnik mithilfe eines Haftvermittlers.

Mit diesem Kombinationsverfahren lassen sich Kunststoff/Metall-Strukturbauteile effizienter herstellen als bisher. Die Herausforderung liegt jedoch in der Vorhersage der späteren Bauteileigenschaften dieser Bauteile. Die deutlich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoffen und Metallen führen zu einem komplexen thermomechanischen Bauteilverhalten des hybriden Werkstoffverbunds. Wird beispielsweise die thermische Dehnung der Kunststoffkomponente durch die Metallkomponente behindert, kommt es zum Aufbau von thermischen Spannungen und gegebenenfalls zum Verzug des Bauteils. Aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften des Kunststoffs kann ein Teil der sich aufbauenden Wärmespannungen allerdings wieder relaxieren. Diese Problemstellung trifft dabei sowohl für die Abkühlung des Bauteils nach dem Spritzgießprozess als auch für die thermische Wechselbelastung des Bauteils im Einsatz zu.

Für die Abbildung dieser Effekte in der Simulation entwickelte das IKV eine integrative Simulationskette, die die nichtlinear viskoelastischen Werkstoffeigenschaften kurzfaserverstärkter Thermoplastwerkstoffe abbildet. Zudem wird die anisotrope thermische Ausdehnung des faserverstärkten Werkstoffs berücksichtigt. Zusammen mit dem Werkstoffverhalten der Metallkomponente ist so die Vorhersage des komplexen thermomechanischen Bauteilverhaltens von Kunststoff/Metall-Strukturbauteilen im Einsatz möglich.

Die durchgeführten Simulationen und die ermittelten thermischen Gestaltungshinweise wurden anschließend am IKV praktisch erprobt und bewertet. Die dabei festgestellte gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment zeigt, dass Strömungssimulationen einen deutlichen Mehrwert für die Produktion haben können.

Beim 28. Internationalen Kolloquium Kunststofftechnik wird unter dem Programmpunkt IKV 360° das Kombinationsverfahren zur Herstellung von Kunststoff/Metall-Strukturbauteilen präsentiert.

Weitere Informationen: www.ikv-kolloquium.de, www.ikv-aachen.de

28. Internationales Kolloquium Kunststofftechnik, 24.-25.02.2016, Aachen

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