Vorgespannte, hybride Stegblechstrukturen

Dem Forschungsvorhaben liegt das Ziel zugrunde, flächige und rohrförmige Hybridstrukturen zu erzeugen, deren Steifigkeit durch Stege und besonders durch eine umformtechnisch erzeugte Vorspannung dieser Stege gesteigert wird. Dazu werden Stegblechstrukturen mit Faserwerkstoffen kombiniert. Die gewünschte Vorspannung wird durch Innenhochdruckumformung und gezielte Ausnutzung der unterschiedlichen Elastizitätsmoduln und Streckgrenzen der Werkstoffe erreicht, wobei der Füge- und Vorspannungsvorgang der Komponenten gleichzeitig während des Umformens stattfindet.

Motivation

In vielen Bereichen der Technik nimmt der konstruktive Leichtbau eine zentrale Rolle ein. Vor allem in der Automobil- und Luftfahrtindustrie steigt der Wunsch nach einem geringen Bauteilgewicht bei verbesserten Steifigkeiten und kostengünstigen Fertigungsmöglichkeiten. Hierzu werden vermehrt Hybridstrukturen eingesetzt, die die positiven Eigenschaften verschiedener Werkstoffe kombinieren und eine höhere Leistungsfähigkeit bieten.

Konstruktive Möglichkeiten zur Gewichtsreduktion bei gleichbleibender Steifigkeit sind z.B. das Einbringen von Stegen in flächige Strukturen oder die Vorspannung von Bauteilen, die einer Belastung in Vorzugsrichtung unterliegen. Im letzteren Fall kann eine der Betriebslast entgegenwirkende Vorspannung für ein verzögertes Erreichen der Belastungsgrenze sorgen, da im Betrieb zunächst die Vorspannung abgebaut werden muss, bevor der eigentlich kritische Spannungszustand im Bauteil erreicht wird.

Zielsetzung

Wesentliches Ziel des Vorhabens ist neben dem Nachweis der Machbarkeit, die Ermittlung des Prozessfensters und typischer Fehlerbilder. Auch das Potential der realisierbaren Vorspannung soll beleuchtet werden.

Abbildung [1] zeigt einen Demonstrator, bei dem ein Drahtseil anstelle eines Faserkunststoffverbundes die Vorspannung erzeugt. Das vor der Umformung noch lose um den Steg liegende Drahtseil wurde durch den Umformvorgang derart gespannt, dass eine Durchbiegung von Hand nicht mehr möglich war.

[1] Demonstrator mit umformtechnisch vorgespanntem Drahtseil

Vorgehensweise

Zunächst werden auf Basis einleitender Finite-Elemente-Simulationen Anforderungen an den Prozess und die Koppelstelle zwischen Faserverbundkunststoff und Blech definiert sowie charakteristische Fehlerbilder ermittelt. Darauf aufbauend werden die erforderlichen Werkzeuge konstruktiv gestaltet, Halbzeuge ausgewählt und Steuerkurven (Druck-, Kraft- und Temperaturverläufe) zur Prozessführung ermittelt. Die angestrebten Zielgeometrien zeigt Abbildung [2].

Nach der Fertigung von Proben und Werkzeugen werden der in der Simulation ermittelte Prozess sowie das konstruierte Werkzeug anhand von Fertigungsversuchen und Sensitivitätsanalysen über-prüft. Zum Abschluss des Vorhabens werden mittels optischer Aufnahmeverfahren die Blechdehnung und geometrische Form der entstandenen Strukturen ermittelt und Rückschlüsse auf günstige Gestaltungs- und Steuerungsansätze gezogen. Stauch- und Berstversuche sowie Modalanalysen an den erzeugten Bauteilen werden zur Untersuchung des Leichtbaupotentials herangezogen.

Angestrebte Zielgeometrien: Schale und Rohr
Bild: PtU Bildarchiv
[2] Angestrebte Zielgeometrien: Schale und Rohr

Danksagung

Das Forschungsprojekt wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

Deutsche Forschungsgemeinschaft