MultiPro - Optimierung der Eigenschaften eines durch Hybridpressen hergestellten Stahl-LFT Materialverbunds

Abstract

Im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsprojekts MultiPro wurde die technologische Weiterentwicklung eines durch Hybridpressen hergestellten Stahl-LFT-Materialverbunds untersucht, um den Technologie-Reifegrad von TRL 4 auf TRL 6 zu erhöhen. Ziel war die Kombination der Vorteile metallischer Werkstoffe mit langfaserverstärkten Thermoplasten (LFT), um hochbelastbare und zugleich gewichtsoptimierte Strukturen für den automobilen Leichtbau zu realisieren. Dazu wurde das Hybridpressverfahren umfassend weiterentwickelt. Ein variothermes Temperierungskonzept mit asymmetrischer Steuerung ermöglichte die gezielte Kontrolle der Abkühlraten von Stahl und Thermoplast, wodurch Eigenspannungen reduziert und die Maßhaltigkeit verbessert wurden. Ergänzend wurden unidirektionale Faserlagen (UD) in hochbelastete Zonen integriert, um Steifigkeit, Festigkeit und Crashsicherheit zu steigern. Zur Validierung wurden generische Testkörper (Hybrid-U-Profile) konstruiert, die sowohl mechanischen Versuchen als auch normgerechten Probenentnahmen dienten. Die Materialcharakterisierung umfasste Zug-, Schwing- und Biegeversuche am PA6-LFT40 sowie die Entwicklung eines Materialmodells für den eingesetzten Haftvermittler (Vestamelt). Durch rheologische Analysen und Prozesssimulationen mit anisotropem Faser-Mapping konnte die Abbildung der realen Faserorientierungen in FEM-Simulationen signifikant verbessert werden. Dies ermöglichte eine belastungsgerechte Auslegung hybrider Strukturen und eine Reduktion von Versagensrisiken. Ein wesentlicher Projektbestandteil war die Entwicklung und Herstellung eines komplexen Demonstratorbauteils in Form eines Fahrwerkslängslenkers. Hierbei zeigte sich eine Gewichtsreduktion von ca. 20 % im Fahrwerksbereich gegenüber vergleichbaren Stahlbauteilen, bei gleichzeitig hoher Energieaufnahme im Crashfall. Durch Prozessoptimierung und Upscaling wurde eine Zykluszeit von unter 40 s erreicht, was eine deutliche Effizienzsteigerung im Vergleich zu konventionellen Prozessketten darstellt. Die Ergebnisse belegen die hohe Eignung des Hybridpressverfahrens für den automobilen Leichtbau und verdeutlichen sein Transferpotenzial auf weitere Branchen wie Luftfahrt und Maschinenbau, in denen kombinierte Anforderungen an Gewicht, Bauraum und Belastbarkeit bestehen.