Leichtbau durch neuartige Hybridwerkstoffe

Kurzbeschreibung

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung neuartiger Hybridwerkstoffe, die als Halbzeuge in nachfolgenden Fertigungsprozessen zu extrem leichten Bauteilen verarbeitet werden können. Unter Hybridwerkstoffen werden dabei flächige Verbindungen artverschiedener Werkstoffe (faserverstärkte Kunststoffe und Stähle) verstanden. Der zentrale innovative Ansatz des Projekts liegt in der erstmaligen Entwicklung einer methodischen Vorgehensweise für die Hybridwerkstoffentwicklung. Die entwickelte Methode wird im Rahmen des Projekts beispielhaft zur Entwicklung neuer Werkstoffe im Automobilbereich eingesetzt. Hierzu werden ausgewählte Demonstratoren entwickelt und getestet.

Da jeder im Hybrid eingesetzte Werkstoff im Rahmen einer Funktionstrennung nur eine bestimmte für ihn definierte Aufgabe übernimmt, werden die im Projekt entwickelten Einzelwerkstoffe für sich genommen unzureichend sein. Erst im Hybrid wird sich im Zusammenspiel der Werkstoffe eine optimal funktionsfähige Komponente ergeben. Die Entwicklung der Einzelwerkstoffe kann sich entsprechend auf spezifische Eigenschaften konzentrieren, die aus dem Anforderungsprofil des Hybridwerkstoffes abgeleitet werden.

Neben der technologischen Entwicklung werden zwei weitere Schwerpunkte gesetzt. Zum einen wird eine intensive Transferanalyse weitere Märkte aufzeigen, in denen die Anwendung der Methode zu neuen Werkstoffen führen würde. Zum anderen wird eine gesellschaftswissenschaftliche Komponente integriert, die untersucht, wie sich die geänderte Werteorientierung auf die Formation von Hypothesen, Forschungsfragen und Lösungsansätzen bei der technologischen Entwicklung auswirkt.

Projektbeginn: 15.02.2016

Ziel ist die Entwicklung neuartiger Hybridwerkstoffe, die als Halbzeuge
in nachfolgenden Fertigungsprozessen zu extrem leichten Bauteilen
verarbeitet werden können.

Der Projektansatz

Das Projektergebnis

Projektende: 31.01.2019

Forschungsschwerpunkte sind neben der technologischen Entwicklung
eine Transferanalyse im Hinblick auf weitere Anwendungsmärkte
und die Betrachtung einer gesellschaftswissenschaftlichen Komponente.

Projektbeiträge

Wirtschaft

  • Entwicklung eines Hybridwerkstoffes
  • Materialeinsparung
  • Verbesserte Leistung

Wissenschaft

  • Entwicklung von Oberflächenprofilen
  • Entwicklung von Klebetechniken
  • Entwicklung von Umformtechniken

Gesellschaft

  • Transfer
  • Ausbildung
  • Nachhaltige Entwicklung

Ergebnisse

Simulation

Ausgangspunkt der Top-Down Werkstoffentwicklung sind Gesamtfahrzeugsimulationen. Für die Selektion zu optimierender Bauteile wird eine Methode entwickelt, welche die Auswahl von hoch beanspruchten Bauteilen ermöglicht. An diesen wird eine optimierungsbasierte Bestimmung von Materialeigenschaften in Dickenrichtung durchgeführt, die im ersten Optimierungsschritt frei parametrisiert werden. Nach Abgleich mit einer Materialdatenbank werden die idealisierten Werkstoffkennwerte mit konkreten Werkstoffpendants ersetzt. Unter Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen folgen weitere Optimierungsschleifen, die zum finalen Werkstoffdesign führen. Die Gewichtsreduktion beträgt bis zu 25 % pro Bauteil.

Umformtechnik

Bei der Umformung der neuen Hybridwerkstoffe können komplexe Zugbeanspruchungen im Bauteil auftreten. Dies kann zum Versagen des gesamten Halbzeugs führen. Um ein für die Hybridwerkstoff-Umformung angepasstes Werkzeug- und Prozessdesign zu entwickeln, wurden komplementär numerische und experimentelle Methoden entwickelt und eingesetzt. Bei den bisher durchgeführten Arbeiten konnten wichtige Erkenntnisse zur Entwicklung von Richtlinien zur Prozessauslegung und für das Design des Halbzeugs gewonnen werden. Diese fließen direkt in die Werkstoffentwicklung ein und nehmen Einfluss auf das finale Halbzeug Design.

Oberflächenstrukturierung

Um die Haftung im Hybridbauteil durch eine Anpassung der Oberfläche der einzelnen Komponenten zu verbessern, wurden im Projekt vier Oberflächenverfahren untersucht: die laserinduzierte Nanostrukturierung, die elektrolytische Oxidation (verzinkter Stähle), die nasschemische Tauchbeschichtung und die Sandstrahltechnik. Zur Untersuchung der Benetzungseigenschaften wurden die Oberflächen hinsichtlich ihrer Morphologie und Oberflächenenergien untersucht und miteinander verglichen. Alle Verfahren erfüllen die Erwartungen hinsichtlich einer Verbesserung der Benetzungseigenschaften. Besonders eine Nanostrukturierung der Oberfläche erhöht signifikant die Benetzungseigenschaften im Vergleich zum reinen Stahl.

Grenzschichten

Der neue Hybridwerkstoff stellt hohe Anforderungen an die Grenzschichten, da unterschiedliche Aushärtungsbedingungen kombiniert zu einem optimalen Ergebnis geführt werden müssen. Im Rahmen des Projekts wurden daher innovative Techniken zur strukturellen Verklebung entwickelt. Hierzu wurden verschiedene Methoden zur Modifikation der Steifigkeit von Epoxidharzen sowie die Kombination von völlig unterschiedlichen Klebstoffen untersucht. Im Anschluss erfolgte die Übertragung der getesteten Methoden auf kommerzielle Klebstoffe. Durch die umfangreichen Untersuchungen konnte eine breite Wissensbasis zum Kombinationsverhalten der unterschiedlichen Klebstoffe aufgebaut werden.

Projektfortschritt

Ziel der Bauteilanalyse ist die Auswahl geeigneter Bauteile für die Hybridwerkstoffentwicklung. Anhand einer innovativen Methodik werden Bauteile identifiziert, die entstehende Mehrkosten durch signifikant verbesserte Karosserieeigenschaften rechtfertigen. Das methodische Vorgehen basiert dabei auf dem thyssenkrupp InCar® plus Modell und verschiedenen Crash- und NVH-Simulationen.

Im Rahmen des zweiten Projektschritts werden ideale Eigenschaftsprofile für den zu entwickelnden Hybridwerkstoff ermittelt. Für die werkstoffunabhängige Auslegung der Werkstoffe werden angepasste Optimierungsalgorithmen kommerzieller FE-Software und voll-parametrisierte Materialmodelle verwendet.

Innerhalb der Screeningphase erfolgt ein Abgleich der idealisierten Werkstoffkennwerte mit einer realen Materialdatenbank. Ziele der Screeningphase sind vor allem die Identifikation konkreter Referenzwerkstoffe und die Untersuchung geeigneter Verfahren zur Haftverbesserung im Hybridwerkstoff.

In der Phase der Materialentwicklung wird die numerische Werkstoffentwicklung um experimentelle Untersuchungen ergänzt. Die Ergebnisse fließen mit in die Definition des Werkstoffprofils ein und führen zum finalen Hybridaufbau. Abschließend werden Prüfplatten aus dem definierten Hybridwerkstoff hergestellt und charakterisiert.

Kernziel dieser Projektphase ist die Entwicklung innovativer Fertigungsverfahren für die Umformung von Hybridwerkstoffen. Hierzu werden die Prozesse zur Herstellung der hybriden Halbzeuge detailliert untersucht. Im Fokus stehen dabei vor allem die Entwicklung von geeigneten Umformprozessen, die Integration neuer Klebetechniken und die Entwicklung von Oberflächenstrukturierungsmethoden.

Ergebnis dieser Phase ist ein auf Probenebene charakterisierter hybrider Werkstoff mit definierten Herstellungs- und Fertigungsprozessen. Zur Erreichung des Ziels werden unterschiedliche Werkstoffprüfungen durchgeführt. Darüber hinaus erfolgt ein Abgleich des vordefinierten Eigenschaftsprofils mit den finalen Eigenschaften des entwickelten Hybridwerkstoffes

In der letzten Projektphase wird eine Bandbreite an Crashversuchen, Steifigkeitsmessungen sowie Betriebsfestigkeitstests an den entwickelten Demonstratoren durchgeführt. Ziel ist es, die Eignung des neu entwickelten Hybridwerkstoffs für den Einsatz im Automobilsektor zu bestätigen und die entwickelten Simulationsmodelle an den Versuchsergebnissen zu validieren.

Projektbeteiligte

Universität Paderborn

Prof. Dr. rer. nat. Thomas Tröster

Prof. Dr.-Ing. habil. Mirko Schaper

Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Bremser

Prof. Dr.-Ing. Werner Homberg

Prof. Dr. Volker Peckhaus

Prof. Dr. Rüdiger Kabst

Unternehmen

Ihre Ansprechpartner

Jan Striewe, M.Sc.

Jan Striewe, M.Sc.

Leichtbau im Automobil Projektkoordinator

Tel.: 05251 - 60 5948
Fax: 05251 - 60 5333
E-Mail: jan.striewe(at)uni-paderborn(dot)de

Dr. Lars Achterberg

Dr. Lars Achterberg

Technologietransfer- und Existenzgründungs-Center der Universität Paderborn Projektkoordinator

Tel.: 05251 - 60 4969
Fax: 05251 - 60 2077
E-Mail: lars.achterberg(at)uni-paderborn(dot)de