Fraktale Gestaltungsprinzipien zur definierten Einstellung der interlaminaren Festigkeit von Metall-Thermoplast-Verbunden

Abstract

Im Zusammenhang mit dem Erreichen globaler Ziele, wie der Verringerung der Nutzung fossiler Energieträger sowie des Ausstoßes von Treibhausgasen, spielen Leichtbaukonzepte eine zentrale Rolle. Die Substitution metallischer Bauteile durch Metall-Kunststoff-Verbunde geht mit einer Reduzierung der Masse einher. Entsprechende Verbunde mit Duroplasten sind im Luftfahrsektor etabliert. Der hohe Herstellungsaufwand steht allerdings einem breiten Einsatzbereich entgegen. Die Substitution durch Thermoplaste stellt einen geeigneten Lösungsansatz dar. Die resultierende Verbundfestigkeit kombiniert form-, stoff- sowie kraftschlüssige Anteile und beruht größtenteils auf mechanischer Verklammerung. Durch eine gezielte Bearbeitung bzw. Mikrostrukturierung des metallischen Verbundpartners sind eine Erhöhung der Verbundfestigkeit und eine Erweiterung des Einsatzspektrums möglich. Im Projekt werden die Ziele verfolgt, Algorithmen zur Bewertung definiert eingestellter Oberflächenfeingestalten anhand der fraktalen Geometrie zu formulieren sowie die Zusammenhänge zwischen dieser und der interlaminaren Festigkeit unter Berücksichtigung chemischer Ober- bzw. Grenzflächeneigenschaften zu ermitteln. Durch die Oberflächenkonditionierung auf unterschiedlichen Skalierungsebenen sowie die Modifikation mit Organosilanen sollen die Gültigkeitsbereiche der getroffenen Annahmen identifiziert werden. Zur gezielten Steigerung der Verbundfestigkeit soll ein primär umformender Prozess mit Werkzeugen mit geometrisch bestimmten Schneiden zur definierten Einstellung der Oberflächenfeingestalt entwickelt werden. Die Herstellung definierter Oberflächenfeingestalten erfolgt zunächst mittels Laserbearbeitung. Entsprechend bearbeitete Probekörper werden u. a. zur Bestimmung der Messbedingungen für die Erfassung der mikrogeometrischen Eigenschaften der Mikrostrukturen genutzt, um anschließend die fraktale Dimension bestimmen zu können. Ähnliche Probekörper werden ebenfalls für die Beschichtung mit haftvermittelndem Organosilan verwendet. Auf Basis der Scherfestigkeitsuntersuchungen können eine Steigerung der Verbundfestigkeit mit größer werdender Strukturdichte sowie eine weitere Erhöhung durch die Beschichtung mit Organo-silan nachgewiesen werden. Zur Mikrostrukturierung des metallischen Fügepartners wird das Ultrasonic vibration assisted deformational machining (UVADM) entwickelt. Unter Nutzung von FE-Simulationen erfolgt die Auslegung der Werkzeuggeometrie sowie relevanter Bereiche der Bearbeitungsparameter. In den experimentellen Untersuchungen werden die Einflüsse der Werkzeuggeometrie und der Bearbeitungsbedingungen auf die Oberflächeneigenschaften er-mittelt. Die Analyse zeigt eine hohe Übereinstimmung mit den Simulationen. Zusammenhänge zwischen Oberflächenfeingestalt und Festigkeit des Metall-Kunststoff-Verbundes wurden ermittelt. Im Ergebnis der Untersuchungen kann festgehalten werden, dass die fraktale Dimen-sion ein geeignetes Mittel zur quantitativen Bewertung der Zusammenhänge darstellt. Lightweight design plays a key role in achieving global goals such as reducing fossil fuel consumption and greenhouse gas emissions. The substitution of metal components with metal-polymer composites entails a reduction in mass. Thermoset composites are already well established in the aerospace sector. However, the high manufacturing costs are an obstacle to a wider range of applications. Substitution with thermoplastics is one solution. The resulting interlaminar strength is based on mechanical interlocking and combines formfit, materialfit and forcefit components. In particular, targeted processing or microstructuring of the metallic composite partner can increase composite strength and extend the range of applications. The aim of the project is the development of algorithms for the evaluation of predefined surface microstructures based on fractal geometry. Furthermore, the correlations between the fractal geometry and the interlaminar strength, considering surface and interfacial chemical properties, should be determined. Surface conditioning at different scaling levels and modification with adhesion-promoting organosilanes are used to identify the ranges of validity of the as-sumptions made. In order to increase the interlaminar strength, a primarily forming process using tools with geometrically defined cutting edges for the specific adjustment of the surface microstructure based on fractal geometry is developed. In this project, laser processing is initially used to create defined surface microstructures. Specimens processed in this way are used, among other things, to determine the measurement conditions for recording the geometric properties of the microstructures in order to subsequently calculate the fractal dimension. Similar specimens are also used for organosilane coating. Shear strength tests demonstrate an increase in interlaminar strength with growing microstructure density and a further increase with organosilane coating. Ultrasonic vibration assisted deformational machining (UVADM) is developed to microstructure the metallic joining partner. Tool geometry and relevant ranges of machining parameters are designed based on FE sim-ulations. The influences of tool geometry and the machining conditions on the surface properties are determined in the experimental investigations. The analyses show a high degree of agreement with the simulations. Correlations between surface microstructure and interlaminar strength are determined. The fractal dimension is shown to be a suitable means of evaluating the relationships quantitatively.