Leichtbaupotenziale im Fahrwerk – Multi-Material-Design durch simultane Umformung von Metallblechen und Urformung von langfaserverstärkten Thermoplasten (LFT)

Abstract

Der moderne Fahrzeugbau verfolgt mit den kunden- und marktbezogenen Anforderungen nach Komfort und Sicherheit auf der einen Seite sowie einem möglichst geringen Kraftstoffverbrauch und der Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten auf der anderen Seite zwei übergeordnete Ziele. Der werkstoffliche Leichtbau muss als tragende Säule innerhalb der Fahrzeugentwicklung demnach sowohl den Sicherheitsaspekt berücksichtigen als auch zur Reduktion der Fahrzeugmasse und somit zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bzw. des Schadstoffausstoßes beitragen. Neben der Entwicklung neuer, hochfester und mittels Warmumformung hergestellter Stahlgüten zur Verringerung von Blechdicken sowie Mischbauweisen mit Aluminium und Magnesium werden zunehmend auch faserverstärkte Kunststoffe im Fahrzeugbau eingesetzt. Bei Anwendung dieser sogenannten Multi-Material-Bauweise bis auf Bauteilebene resultiert gleichzeitig ein Bedarf nach wirtschaftlichen und kombinierten Herstellungsverfahren für Kunststoff-Metall- Hybridbauteile. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines solchen Fertigungsverfahrens namens „Hybridpressen“, welches die Kaltumformung von Stahlblechen mit dem Fließpressen von langfaserverstärkten Thermoplasten in einem simultanen Prozessschritt kombiniert und gleichzeitig beide Werkstoffe durch Einsatz eines Haftvermittlers stoffschlüssig miteinander verbindet. Dazu werden die erforderlichen Werkzeug- und Dichtkonzepte für verschiedene Geometrien erarbeitet, die Verbindungseigenschaften ermittelt sowie relevante Prozessparameter identifiziert und optimiert. Mit Hilfe einer entwickelten Auslegungs- und Optimierungsmethode auf Basis der Finite- Elemente-Methode (FEM) wird es möglich, Stahlbauteile durch Blechdickenreduktion und gleichzeitige Verstärkung mit einer Rippenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff bis zu 20 % leichter zu gestalten, ohne dabei einen Verlust in den mechanischen Bauteileigenschaften zu erhalten. Der gesamte Prozess von der Auslegung des Bauteils und Werkzeugs bis zur Fertigung auf Serienanlagen wird anhand eines realen Vorderachs-Querlenkers demonstriert.

Modern vehicle construction follows two overriding goals with customer- and market-related requirements for comfort and safety on the one hand and the lowest possible fuel consumption and compliance with emission limits on the other hand. Accordingly, lightweight construction based on materials must, as a supporting pillar within vehicle development, consider both the safety aspect and the reduction of vehicle mass and thus contribute to the reduction of fuel consumption and pollutant emissions. In addition to the development of new, high-strength steel grades produced by hot forming to reduce sheet thicknesses and mixed construction methods with aluminum and magnesium, fiber-reinforced plastics are also increasingly being used. The application of this so-called multi-material construction method down to the component level simultaneously results in a demand for economic and combined manufacturing processes for hybrid components made of plastics and metal. This work describes the development of such a production process called “hybrid forming”, which combines the cold forming of steel sheets with the compression molding of long fiber reinforced thermoplastics in a simultaneous process step and at the same time connects both materials by using an adhesion promoter. The required tool and sealing concepts for different geometries are developed, the joining properties are determined, and relevant process parameters are identified and optimized. With the aid of a developed design and optimization method based on the finite elements method (FEM), it will be possible to make steel components up to 20% lighter by reducing sheet thickness and simultaneously reinforcing them with a ribbed structure made of fiber-reinforced plastic without losing any of the components’ mechanical properties. The entire process, from the component and tool design to the manufacturing on series production lines, is demonstrated using a real front axle control arm.