Lokale Verstärkung metallischer Bauteile mit duroplastischen Faserverbundhalbzeugen im Karosserieentstehungsprozess

In dieser Arbeit werden die Grundlagen für einen neuartigen robotergestützten Fertigungsprozess erarbeitet, bei dem duroplastisch vorimprägnierte, glasfaserverstärkte Faserverbundhalbzeuge lokal auf metallische Bauteile gepresst und ausgehärtet werden, um mit geringem Materialeinsatz deren Eigenschaftsniveau wesentlich zu steigern. Diese Technologie ist nach aktuellem Stand einzigartig und ermöglicht erstmals das voll-automatisierte Fertigen von Metall-Faserverbund-Hybridstrukturen im automobilen Großserienmaßstab. Diese Arbeit verfolgt auf Grund der hohen Komplexität der Aufgabenstellung einen durchgängigen Ansatz von der Materialauswahl und Prozessbeschreibung über die Struktur- und Prozesssimulation bis zur Bewertung der Eigenschaften am komplexen Bauteil. Als Randbedingung ist in Anlehnung an eine bestehende Karosseriefertigung eine Taktzeit unter 60 s festgelegt. Weiterhin muss aufgrund der begrenzten Presskraft der Industrieroboter und der vorgesehenen Applikationsfläche der notwendige Pressdruck gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduziert werden. Durch die ganzheitliche Betrachtungsweise der Problemstellung von der Materialauswahl und dessen Fertigungsparametern über die simulative Betrachtung des Herstellungsprozesses und den strukturellen Material- und Bauteileigenschaften hin zur Bewertung wesentlicher Einflussfaktoren wie Temperatur und Korrosionsbeständigkeit auf die mechanischen Eigenschaften, werden grundlegende Fragestellungen hinsichtlich der Machbarkeit dieser neuartigen robotergestützten Technologie beantwortet. Weiterhin wird durch die industrielle Umsetzung des Fertigungsprozesses im Rahmen einer vollautomatisierten robotergestützten Applikationszelle ein wesentlicher Schritt in Richtung Großserienfähigkeit von Faserverbundstrukturen bewältigt.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1.2 Anforderung an Material und Prozess 1.3 Vorgehensweise und Methodik 2 Grundlagen 2.1 Faserverbundwerkstoffe im Automobil 2.2 Metall-Faserverbund-Hybridbauweisen: Stand der Technik 2.3 Verwendete Werkstoffe und Halbzeuge 2.4 Literaturüberblick 3 Materialspezifikation und Herstellungsprozess 3.1 Probekörper, Fertigungsvorrichtungen und Prüfmethoden 3.2 Bewertung ausgewählter Prepregs und Auswahl einer Vorzugsvariante 3.3 Ermittlung von Fertigungsparametern zur Erzeugung einer ausreichenden Laminatqualität 3.4 Haftfestigkeit hybrider Verbunde in Abhängigkeit der Fertigungsparameter 3.5 Bewertung des Einflusses eines zusätzlichen Klebstoffs 3.6 Potenzialbewertung von Metall-Faserverbund-Hybridbauteilen 3.7 Bewertung der Lagenanzahl der Faserverbundverstärkung 4 Modellbildung und Struktursimulation 4.1 Strukturanalyse des Faserverbundmaterials 4.2 Strukturanalyse der Grenzschicht zwischen Metall und Faserverbund 4.3 Strukturanalyse des Hutprofils im 3-Punkt-Biegeversuch 5 Modellbildung und Prozesssimulation 5.1 Mathematische Beschreibung der Reaktivität der Matrix 5.2 Thermo-chemische Kopplung der Materialkennwerte 5.3 Thermo-chemo-mechanische Kopplung der Materialkennwerte 5.4 Simulation des Herstellungsprozesses der Faserverbundplatte 5.5 Simulation des Herstellungsprozesses des Metall-Kunststoff-Hybrid-Streifenprobekörpers 5.6 Sensitivitätsanalyse der Materialkennwerte 5.7 Simulation des Herstellungsprozesses des hybriden Hutprofils 6 Ergänzende Bewertung automobilspezifischer Einflüsse 6.1 Prüftemperatur 6.2 Belastungsgeschwindigkeit 6.3 Klimawechsel und Korrosion 7 Robotergestützter Applikationsprozess 7.1 Konzeptionierung, Aufbau und Inbetriebnahme des Fertigungsprozesses 7.2 Prüfung der hybriden Hutprofile, hergestellt im robotergestützten Applikationsprozess 7.3 Ermittlung der Zykluszeit und Abschätzung für den Serienprozess 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Grundlagen B Materialspezifikation und Herstellungsprozess C Modellbildung und Struktursimulation D Prozessmodellierung und Simulation E Bewertung automobilrelevanter Einflüss