Schichtverbundwerkstoffe

Schichtverbunde als neue Werkstoffe für den Karosseriebau

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Liewald erklärt: „Bisher haben wir Baukonzepte mit einem relativ dünn gewalzten Blech bis nur 0,3 mm Dicke in Kombination mit Fasern, Klebstoffen und Kunststoff und zahlreiche Konzepte mit zwei relativ dünn gewalzten Deckblechen und einer zwischen liegenden Faser- oder Kunststoffschicht verfolgt.“ Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten hätten gezeigt, dass sich mit solchen Baukonzepten von Schichtverbundwerkstoffen langfristig sehr zahlreiche Ausführungsformen realisieren lassen, wobei die Halbzeuge spezifisch auf ihren Einsatzzweck in der Fahrzeugstruktur angepasst werden können. Und zwar mehr Ausführungsformen als es vergleichsweise mit monolithischen Blechwerkstoffen heute bisher möglich sei.

Umformtechnische Bearbeitung der Schichtverbundwerkstoffe

Die Forschungsarbeiten von Liewald und seinen Mitarbeitern drehen sich außerdem um die Möglichkeit der umformtechnischen Bearbeitung. Die Ergebnisse zeigen, dass das Formänderungsvermögen dieser Werkstoffe und vor allem die Neigung solcher Aufbaukonzepte zu Delamination stark von den Schichtdicken und den auftretenden Schubbelastungen durch die Bauteilkrümmung abhängig ist. Liewald sagt dazu: „Es lässt sich sagen, dass sich die Charakterisierung solcher Werkstoffe schwieriger gestaltet als bei Blechwerkstoffen und auch die Umformsimulation aufwändiger wird.“ Die bisherigen Forschungsarbeiten zeigen, dass keine speziellen Pressverfahren und Werkzeuge für umformtechnische Bearbeitungen nötig sind, „wobei natürlich spezielle Ausführungsformen der konventionellen Zieh- und Schneidwerkzeuge beachtet werden müssen“, erklärt Liewald. Doch für endgültige Aussagen seien weitere, anwendungsnahe Entwicklungsarbeiten nötig, um industriell umsetzbare Lösungen anbieten zu können. Bisher zeigen sich Grenzen der Umformung: „In vielen Fällen haben wir die textile Zwischenschicht möglichst drucksteif ausgeführt, was bei kleinen Radien Abdrücke auf dem außen liegenden Deckblech verursacht hat. Andererseits haben wir eher schubweiche, auch oftmals dünnere Zwischenschichten eingeklemmt, was zwar solche Abdrücke verhindert hat, jedoch stärker zum Versagen durch Delamination neigte.“ Diese beiden Versagensformen werden die Forscher der Uni Stuttgart also weiter beschäftigen, sie haben bereits mehrere Kombinationen gefunden, die den wichtigsten Anforderungen von Struktur- und Außenhautbauteilen genügen würden.

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Noch kein Serieneinsatz möglich, es ist weitere Forschung nötig

Es stellt sich außerdem natürlich die Frage, ob solche Verbundwerkstoffe genügend Festigkeit für den Einsatz in Karosserien mitbringen. „Das ist eine gute Frage, was ist „genügend“? Die hier beschriebenen Baukonzepte für Schichtverbundwerkstoffe sind derzeit meines Wissens noch nicht industriell verfügbar, wobei ich noch hinzufügen muss, dass derzeit dafür noch keine serientaugliche Anlagentechnik entwickelt wurde. Unsere Forschungsergebnisse in Bezug auf Verarbeitbarkeit solcher Blechwerkstoffe hinsichtlich Tiefziehen, Streckziehen, Beschneiden und der sehr wichtigen Spezifikation der Klebstoffformulierung zeigen jedoch bereits, dass heute ein Einsatz solcher Werkstoffe in flachen Strukturteilen wie Motorhaube innen, Heckklappe innen und in einigen Außenhautbauteilen vorstellbar sind.“ Diese Werkstoffe weisen andersartige Festigkeitskennwerte auf als 5000er- oder 6000er-Aluminiumlegierungen und Stahlblechwerkstoffe auf, doch viel wichtiger erachtet Liewald die Erforschung des Potenzials solcher Werkstoffe in Bezug auf verbesserte Dämpfung und Dämmung, beispielsweise im Zusammenhang mit Geräuschentwicklung von Fahrzeugen.

Darüber hinaus können 35 % Gewicht eingespart werden und es ist zumindest ein bedingt tragfähiges Recyclerkonzept der ein- oder beidseitigen Deckblechlagen realisierbar. Dennoch weist Liewald darauf hin: „Ich halte die Frage nach einem Serieneinsatz der von uns untersuchten Verbundwerkstoffe für verfrüht. Insbesondere sind vorher noch Aufgabenstellungen in Bezug auf das Schweißen, die Oberflächenqualität umgeformter Bauteile, Korrosion, geeignete Klebstoffe und mehr zu lösen, um Automobilisten und Zulieferern konkrete Lösungen für eher wenig stark belastete Baugruppen der Karosserie anbieten zu können.“

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