Multi-funktionale Hochleistungs-Profilsysteme in intrinsisch hergestellter Faserverbund-Metall-Mischbauweise

Abstract

Im Transferprojekt wurden Fertigungs- und Strukturkonzepte für hybride Leichtbau-Hohlprofile auf Basis der Erkenntnisse aus dem SPP 1712 weiterentwickelt, für industrielle Anwendungsfälle adaptiert und validiert. Ziel war die Kombination von Faser-Thermoplast-Verbunden (FTV) mit additiv gefertigten Titan-Lasteinleitungselementen (LEE). Das Schlauchblas-Integral (SBI)-Verfahren für gekrümmte Geometrien und das Schleuderverfahren für rotationssymmetrische Bauteile wurden optimiert, unterstützt durch Struktur- und Prozesssimulationen. Das SBI-Verfahren ermöglicht qualitativ hochwertige Verbindungen, während das ursprünglich für duroplastische Systeme entwickelte Schleuderverfahren aufgrund der höheren Viskosität thermoplastischer Matrixsysteme an physikalische Grenzen stieß. Impaktuntersuchungen zeigten das Potenzial eingebrachter thermoplastischer Polymerschichten zur Reduktion von Schädigungen. Die Fertigungsprozesse wurden anhand einer gekrümmten Abwasserleitung und einer Zug-/Druckstrebe validiert. Intrinsisch gefügte Ti6Al4V-CF/PAEK Hohlprofile erreichten eine Verbindungsfestigkeit von bis zu 38 MPa im Zugversuch. Abweichungen zwischen Simulation und Experiment sind auf Fertigungsdefekte und Modellvereinfachungen zurückzuführen. Für die Industriepartner wurden Handlungsempfehlungen und Designrichtlinien erarbeitet. Für die Zukunft werden höhere Drehzahlen im Schleuderverfahren, Finite Element Methode (FEM)-basierte Flechtsimulationen und eine durchgängige virtuelle Prozesskette empfohlen.

In the transfer project, manufacturing and structural concepts for hybrid lightweight hollow pro- files were further developed based on the findings from SPP 1712. The aim was to combine fiber-thermoplastic composites (FTV) with additively manufactured titanium load-transfer ele- ments (LEE). The integral bladder molding (SBI) process for curved geometries and the rota- tional molding (RM) process for rotationally symmetrical components were optimized, sup- ported by structural and process simulations. The SBI process enabled high-quality connec- tions, while the RM process, originally developed for thermoset systems, reached its physical limits due to the higher viscosity of thermoplastic matrix systems. Impact tests showed the potential of introduced thermoplastic polymer layers to reduce damage. The manufacturing processes were validated using a curved sewage pipe and a tension/compression strut. Intrin- sically joined Ti6Al4V-CF/PAEK hollow profiles achieved a joint strength of up to 38 MPa in tensile testing. Deviations between simulation and experiment are due to manufacturing de- fects and model simplifications. Recommendations for action and design guidelines were de- veloped for the industrial partners. For the future, higher speeds in the RM process, FEM- based braiding simulations, and a continuous virtual process chain are recommended.