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Serienfertigung von Stahl-CFK-Strukturen auf metallischem Weg

| Autor/ Redakteur: Hans Christian Schmidt und Christian Lauter / Josef-Martin Kraus

Im Verbund mit CFK vergrößert Stahl sein Leichtbaupotenzial, ohne auf die etablierte Werkzeugtechnik aus dem Presswerk verzichten zu müssen. Das zeigt ein Projekt, bei dem eine Hybridstruktur aus Deckblech, CFK und Grundblech entwickelt wurde. Der Materialmix wird gemeinsam umgeformt.

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Mit CFK-Prepreg als Kern und Stahl als Deck- und Grundblech entsteht ein Profil, das ohne mechanischen Eigenschaftsverlust das Profilgewicht reduziert. Das ist auch dann der Fall, wenn beim Deckblech Stahl durch Aluminium ersetzt wird.
Mit CFK-Prepreg als Kern und Stahl als Deck- und Grundblech entsteht ein Profil, das ohne mechanischen Eigenschaftsverlust das Profilgewicht reduziert. Das ist auch dann der Fall, wenn beim Deckblech Stahl durch Aluminium ersetzt wird.
( Bild: ILH, Universität Paderborn )

Moderne Hochleistungswerkstoffe bieten eine hohe Festigkeit bei niedrigem Gewicht. Diese hohe, sogenannte gewichtsspezifische Festigkeit, macht den Einsatz faserverstärkter Kunststoffe für die Konstruktion und Fertigung von gewichtsoptimierten Strukturen interessant. Das gilt insbesondere für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Aus CFK können belastungsangepasste Bauteile mit deutlich niedrigerem Gewicht als aus Stahl oder Aluminium hergestellt werden [1].

Eine industrielle Serienfertigung von CFK-Bauteilen hat sich durch den hohen Werkstoffpreis und die zum Teil sehr aufwendige Verarbeitung von CFK bisher jedoch nicht etabliert. CFK-Anwendungen beschränken sich im Automobilbau vor allem noch auf kleine Bauteilserien und exklusive Fahrzeuge.

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Um von den guten mechanischen Eigenschaften und dem damit verbundenen großen Leichtbaupotenzial von CFK zu profitieren, wird am Institut für Leichtbau mit Hybridsystemen (ILH) der Universität Paderborn an neuen Produktionstechniken für die Herstellung höchstfester hybrider Metallstrukturen mit CFK-Verstärkung gearbeitet. Am ILH wurden dazu die Kompetenzen unterschiedlicher Disziplinen zusammengeführt, um Leichtbauprojekte ganzheitlich voranzutreiben. So umfassen die Aufgabenfelder des Instituts neben der Produktionstechnik auch Bereiche der Chemie und der Physik, zum Beispiel die Grenzflächenanalytik. Diese Breite spiegelt sich dort im Maschinenpark wider, der umfassend ausgerüstet ist: von schweren Umformpressen bis zu hochsensiblen Elektronenmikroskopen.

Lokale Verstärkung von Stahlteilen durch CFK-Prepregs angestrebt

Ein Beispiel für die Zusammenarbeit zwischen Produktionstechnik, technischer Mechanik und Werkstoffwissenschaft ist das Forschungsprojekt „Entwicklung von Produktionsverfahren hybrider Verbundstrukturen“. In dem seit 2009 vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und dem Land Nordrhein-Westfalen geförderten Projekt wird die Entwicklung von Halbzeugen und Fertigungsprozessen für eine großserientaugliche Herstellung von lokal verstärkten Stahlstrukturen aus hybriden Halbzeugen untersucht.

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