Verfahrensentwicklung zur einstufigen Herstellung von biegebelastbaren Hybridstrukturen im Fließpressprozess

Hybridstrukturen bieten bei Anwendungen mit Biegebeanspruchung ein großes Leichtbaupotenzial, erfordern jedoch komplexe und zum Teil mehrschrittige Fertigungsverfahren. In dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, das auf Basis des Fließpressprozesses biegebelastbare Hybridbalken in einem Schritt herstellt. Dazu wird ein Versuchsträger entwickelt, der die Komplexität von Realbauteilen abbildet und für zerstörende sowie zerstörungsfreie Charakterisierungsmethoden geeignet ist. Der Versuchsträger besteht aus einer funktionalisierten Kernstruktur aus Glasfasermattenverstärktem Polypropylen und äußeren Metallgurten aus Stahl- und Aluminiumlegierungen, die mit einem Haftvermittlerfilm versehen sind. Anhand des Versuchsträgers wird ein Fließpresswerkzeug und eine instrumentierte Fertigungsanlage entwickelt, mit der die Hybridstrukturen prototypisch hergestellt werden. Zur Prozessoptimierung wird die Verbindung mechanisch und optisch auf Probenebene analysiert. Weiterhin erfolgen Bauteiluntersuchungen anhand von Dreipunktbiegetests, mit denen das strukturelle Verhalten der Hybridbalken charakterisiert wird. Es wird festgestellt, dass sich mit dem einstufigen Fließpressverfahren sehr gute Verbundfestigkeiten erzielen lassen. Die Temperatur- und Druckführung weisen dabei einen großen Einfluss auf das Ergebnis auf. Anhand der Bauteiluntersuchungen wird bestätigt, dass mit dem entwickelten Verfahren Hybridbalken in nur einem Schritt gefertigt werden können, die vergleichbare mechanische Eigenschaften zu Hybridstrukturkonzepten aus mehrschrittigen Fertigungsverfahren aufweisen.

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Hybrid structures provide a high potential for lightweight design in applications with bending loads, but require complex and sometimes multi-step manufacturing processes. In this work, a process is developed that produces hybrid beams with high bending strength in one step based on the compression moulding process. For this purpose, a prototype beam is developed that represents the complexity of real components and is suitable for destructive as well as non-destructive characterisation methods. The prototype beam consists of a functionalised core structure made of glass mat reinforced polypropylene and outer metal belts made of steel and aluminium alloys, which are coated with an adhesive film. A moulding tool and an instrumented production line are developed, with which the hybrid structures are prototypically manufactured. For process optimisation, the joint is analysed mechanically and optically at sample level. Furthermore, component investigations are carried out using three-point bending tests to characterise the structural behaviour of the hybrid beams. It is found that very good joint strengths can be achieved with the one-step compression moulding process. The temperature and pressure control have a major influence on the result. Based on the component tests, it is confirmed that the developed manufacturing process can be used to produce hybrid beams in just one step that have comparable mechanical properties to hybrid structure concepts from multi-step manufacturing processes.