Im Vorhaben wird ein Ansatz zum Fügen und Vorspannen von Schlaufen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) und Blechen während einer Umformung untersucht. Dabei wird die FKV-Schlaufe um zwei in das Blech gezogene Kragen gelegt. Ein Stempel weitet nachfolgend den Kragen plastisch, wodurch die Schlaufe rein elastisch gedehnt wird. Nach der Entlastung verhindert der plastisch geweitete Kragen die vollständige Rückfederung der Schlaufe, was zu vorteilhaften Vorspannungen führt. Im Projekt wird dieser Mechanismus verifiziert und Parameter, die die Vorspannung beeinflussen, durch experimentelle und numerische Untersuchungen identifiziert und in analytischen Auslegungsmodellen, leistungsfähigen Prozessen und definierten Strukturen umgesetzt.

Motivation

Obwohl das Prinzip der Vorspannung schon seit Jahrtausenden genutzt wird und auch im Bauwesen eine wichtige Rolle spielt, gestaltet sich der Einsatz desselben in weiteren Bereichen bisher nur träge. Das Wirkprinzip liegt hierbei auf der Kompensation belastungsbedingter Spannungen durch eine gegensinnig eingeprägte Vorspannung der Struktur. Großes Anwendungspotenzial der Vorspannung bietet sich in Leichtbau-affinen Branchen wie der Fahrzeugtechnik, da hier steigende Anforderungen hinsichtlich der Crash-Sicherheit und des Fahrkomforts vorliegen, wobei das Gewicht der lasttragenden Bauteile bei gleichbleibender Performance reduziert werden soll. In diesem Projekt soll die Nutzbarkeit des Prinzips der Vorspannung in lasttragenden Strukturen durch ein tiefgreifendes Verständnis sichtbar gemacht werden.

Lösungsweg

Die Ermittlung der technologischen Grundlagen zur Versteifung und Verstärkung lasttragender Strukturen wird in diesem Projekt in mehreren Schritten erreicht. Ein numerisches Modell des Weitens FKV-umschlungener Kragen wird aufgebaut, um die wesentlichen Einflussgrößen auf den Vorspannungsmechanismus zu ermitteln. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen erfolgt die Entwicklung eines prozessoptimierten Werkzeugs und die Durchführung experimenteller Untersuchungen. Die ermittelten Zusammenhänge dienen der Erarbeitung eines analytischen Modells des Füge- und Vorspannprozesses, das die vorliegenden Prozessphänomene bestmöglich abbilden soll, sodass ein tiefgreifendes Prozessverständnis erlangt werden kann. Die experimentellen Untersuchungen dienen neben der Validierung der numerischen und analytischen Ergebnisse besonders auch der Identifikation der vorliegenden Prozessgrenzen und Fehlerbilder. In Zusammenfassung der Erkenntnisse soll es so möglich sein, vereinfachte Auslegungsmethoden zum Vorspannen von Blechstrukturen zu erarbeiten. Abbildung 1 zeigt hierzu eine vereinfachte, im Vorhaben genutzte Probengeometrie und den zur Vorspannung angewendeten Prozess. Um einen Transfer in sicherheitsrelevante Bauteile zu ermöglichen, wird darüber hinaus ein Aufbau zur Messung der Vorspannung während des Prozesses entwickelt, welcher, um eine Prozessregelung erweitert, zur Einstellung eng tolerierter Vorspannungszustände und damit einhergehend eng tolerierter, mechanischer Struktureigenschaften genutzt werden kann.

Danksagung

Dieses Forschungsvorhaben wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer 453074727.

Gefördert durch