Prozessintegrierte Herstellung von Sandwichstrukturen

Prozessintegrierte Herstellung von Sandwichstrukturen

 

Motivation

Ein wachsendes Verantwortungsbewusstsein beim Ressourceneinsatz verlangt nach immer neueren Technologien zur Gewichtsreduktion. Dieses Ziel ist mittlerweile über die Grenzen der traditionellen Industriezweige für Leichtbau hinaus gültig. Insbesondere Sandwichstrukturen haben im Leichtbau eine tragende Rolle. Ihr Vorteil liegt bei der hohen spezifischen Biegesteifigkeit und -festigkeit. Allerdings ist diese Leichtbauweise aufgrund hoher Fertigungskosten für viele Einsatzgebiete noch nicht wirtschaftlich.

 

Zielsetzung

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, eine technologische Basis für Sandwichstrukturen aus Blechen zu erarbeiten. Die wirtschaftliche Fertigung soll durch ein hohes Maß an Automatisierung sichergestellt werden. Zusätzlich ist die Untersuchung der Leichtbaueignung und der Prozessintegration des Lötens Bestandteil des Projekts. In [Abbildung 1] ist ein Demonstrator der im Fokus stehenden Sandwichstruktur abgebildet. Es ist zu erkennen, dass die Sandwichstruktur aus zwei Deckschichten besteht. Der Abstand der beiden Deckschichten wird durch eine Kragenverbindung bereitgestellt [Abbildung 2].

Demonstrator der Sandwichstruktur
Abbildung 1: Demonstrator der Sandwichstruktur
Seitenansicht in den Kernbereich der Sandwichstruktur
Abbildung 2: Seitenansicht in den Kernbereich der Sandwichstruktur

Prozesskette

Die Prozesskette zur Herstellung der Sandwichstruktur ist in Lochherstellung, Kragenziehen, Ausrichten und Verbunderzeugung unterteilt. Zuerst werden in die Deckschichten Vorlöcher mit dem gleichen Lochbild eingebracht. Die Vorlöcher dienen zum Kragenziehen, wobei jedes Deckblech einen eigenen, spezifischen Kragendurchmesser aufweist. In einem Folgeschritt werden die gegenüberliegenden Kragen der Deckbleche zueinander ausgerichtet und ineinander geschoben. Das Fügen der Kragen zur Kragenverbindung erfolgt durch einen stoffschlüssigen oder mechanischen Verbund.

 

Lösungsweg

Die Entwicklung der Sandwichstruktur erfolgt optimiert hinsichtlich der Herstellung durch das Kragenziehen sowie der Belastbarkeit bezüglich einer Biegebelastung. Als Fügetechnologie wird u.a. das Löten aufgrund des großen Leichtbaupotenzials durch flächige Fügezonen untersucht. Die Lötverbindung wird hierbei zwischen den ineinander geschobenen Kragen des Ober- und Unterblechs hergestellt. In [Abbildung 3] ist die Optimierung der Zielgeometrie hinsichtlich der Kragengeometrie und Anordnung der Kragenverbindungen dargestellt. Zusätzlich ist die Verbindungszone der Kragenverbindung vergrößert hervorgehoben. Um eine lötgerechte Verbindung der Kragen zu erreichen, wurden die Kragenziehprozesse numerisch optimiert. Dadurch wurde eine optimale Lötspaltgeometrie erreicht.

entwicklungsschritte_sandwichstruktur
Abbildung 3: Auslegung der Sandwichstruktur

Als Fügealternative wird ein mechanischer Verbund zwischen oberem und unterem Deckblech untersucht. Der Fügemechanismus beruht hierbei auf einer Kombination von kraft- und formschlüssigem Verbund. Die Auslegung der Fügezone, der Struktur und der nötigen Umformprozesse werden mithilfe der FEM durchgeführt und experimentell verifiziert. Die Ergebnisse münden in einem Demonstrator des Projekts [Abbildung 1].

 

Wesentliche Erkenntnisse

Das Projekt hat die vorhergehend dargestellte Sandwichstruktur erfolgreich umgesetzt und die Projektziele erreicht. Die Umsetzung der Struktur erfolgte optimiert bzgl. einer Biegebelastung im 3-Punkt-Biegeversuch. Weiterhin wurde die Kragenverbindung innerhalb der Prozessgrenzen des Kragenziehens zwecks Festlegung der idealen Prozessparameter für die verwendeten Werkstoffe DC01, DC04, AlMg3 und HC340LA optimiert. Unter anderem wurden hierzu die Einflussparameter Kragendurchmesser, Radius des Krageneinlaufs und Abstreckung des Kragens untersucht. Diese stehen im direkten Zusammenhang mit dem erreichbaren Abstand der Deckschichten. Schlussendlich wurde ihr Einfluss auf die Biegesteifigkeit und -festigkeit der Struktur bezogen. Infolgedessen konnten unterschiedliche Anordnungen der Kragenverbindungen auf der Struktur gegenübergestellt werden. Hierbei zeigte eine versetzte Anordnung mit minimalem Abstand zueinander die größte Leistungsfähigkeit. Bei der Gegenüberstellung der mechanischen Verbindung gegenüber der Lötverbindung zeigte sich, dass die Lötverbindung keinen Zuwachs der Strukturbiegefestigkeit bewirkt.

 

Danksagung

Für die Unterstützung im Rahmen des Projektes dankt das PtU der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF), der Europäischen Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. und den nachstehenden Projektpartnern:

- Graepel Seehausen GmbH und Co. KG

- Haulick & Roos GmbH

- Innobraze GmbH

- KGW GmbH & Co. KG

- Simufact Engineering GmbH

- TOX PRESSOTECHNIK GmbH & Co. KG