Stabiles Sandwich: Alu-Schaum zwischen CFK

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MaSuB GmbH - Maschinen für die Schweißnahtvorbereitung und Blechbearbeitung

AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

Außer der Fertigung des Hybridbauteils steht die Entwicklung geeigneter Anbindungs- und Befestigungstechnologien im Fokus der Arbeiten. Die Verbindung des Sandwichs mit der Grundmaschine erfolgt über eine Koppelstelle, welche in der Ebene des Schaumkernes liegt. Diese Belastung erfordert neuartige Verbindungskonzepte, da die auftretenden Kräfte nicht orthogonal zur Laminatebene in die Fasern eingeleitet werden können.

Die geforderte Lastwechselzahl wird schadenfrei erreicht

Die Kombination zweier Befestigungskonzepte bringt hier die Lösung der Aufgabenstellung. Die Ankopplung erfolgt sowohl durch eine stoffschlüssige Verklebung als auch durch eine formschlüssige Bolzenverbindung. Die klebewirksame Oberfläche des Koppelelements wird durch eine spezielle Oberflächenbearbeitung vergrößert. Darüber hinaus erfolgt eine Oberflächenaktivierung, um die Festigkeit der Klebverbindung weiter zu erhöhen. Durch diese Maßnahmen kann sichergestellt werden, dass die Verbindung zwischen dem Referenzbauteil und der Grundmaschine trotz der hohen dynamischen Belastung dauerhaft ist und den geforderten 106 Lastwechseln standhält.

Metallene Gewindebuchsen leiten Kräfte in das Laminat

Die Befestigung von Prüfkörpern an dem Referenzbauteil erfolgt mittels Schraubverbindungen. Dazu sind entsprechende Gewinde im untersuchten Bauteil nötig: Es ist technisch nicht sinnvoll, die Gewinde in der Kernschicht zu verankern, da die Festigkeit des Aluminiumschaumes für die Lasten nicht ausreichend hoch ist. Deshalb wurden metallische Gewindebuchsen entwickelt, die eine Fixierung der Prüfkörper ermöglichen. Die Krafteinleitung erfolgt dabei nur in das CFK-Laminat, welches durch die Implementierung der Gewindeinserts nur minimal geschädigt werden darf. Verschiedene Varianten der Kraftübertragung wurden entwickelt und deren Eignung mittels FEM-Simulation überprüft. Es hat sich gezeigt, dass konische und kreisringförmige Kontaktflächen besonders geeignet sind, die Kraft schädigungsfrei in das Laminat zu leiten. Gestützt durch die Ergebnisse der FEM-Simulationen, die im Hinblick auf die resultierenden Spannungen und Verformungen der Inserts durchgeführt wurden, erfolgte eine Anpassung der Konstruktion sowie der Materialauswahl. Die Inserts sind aus rostfreiem Stahl gefertigt, um Korrosionsschäden vorzubeugen. Durch Ausreißversuche an einer Prüfmaschine wurde dokumentiert, dass diese Gewindeeinsätze bei vermindertem Gesamtgewicht die gleichen Auszugskräfte erreichen, die auch beim Referenzbauteil aus Magnesium ermittelt wurden.

Das Leichtbaupotenzial kann gut ausgeschöpft werden

Bei dem Projekt konnte ein Hybridverbund aus Aluminiumschaum und CFK erfolgreich eingesetzt werden. Das primäre Ziel der Forschungen, die Gewichtsreduzierung um mindestens 40 % bei einer Steigerung der Eigenfrequenz, wurde erreicht. Die Vorteile des Verbundes sind seine sehr gute Dämpfung, die geringe Verbunddichte und die sehr guten mechanischen Werte. Der Einsatz neuer Verfahren erlaubt es, das Leichtbaupotenzial des Sandwichs gut auszuschöpfen. Neuartige Verbindungstechniken garantieren eine laminatschonende Krafteinleitung. Gleichzeitig konnten weitere Hürden wie die Anbindung des Bauteils an die Grundmaschine, überwunden sowie die wirtschaftliche Fertigung bewiesen werden.

Die präsentierten Ergebnisse wurden im Rahmen des von der Thüringer Aufbaubank (TAB) geförderten Verbundprojektes 2012 FE 9052 erarbeitet. Wir danken der TAB für ihre Unterstützung. ■

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