Mechanische Verklammerung zur formschlüssigen Verbindung von Metall-Faser-Kunststoff Verbundstrukturen

Hybride Materialkombinationen ermöglichen die synergetische Nutzung unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften in einem Bauteil. Je nach Anwendungsfall kann eine signifikante Reduzierung der Bauteilmasse, die Steigerung der strukturmechanischen Bauteileigenschaften und/oder die Erhöhung der Bauteilfunktionalität erreicht werden. Die Gewährleistung der Kräfteüberleitung im Kopplungsbereich bei Metall-Faser-Kunststoff Verbundstrukturen stellt jedoch eine große Herausforderung dar.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Verklammerung zur formschlüssigen Verbindung von Metall-Faser-Kunststoff Verbundstrukturen. Hierdurch wird eine Möglichkeit geschaffen, hybride Bauteile nach dem Prinzip des In-Mould Assembly (IMA) bei gleichzeitigem Verzicht von zusätzlichen Hilfsstoffen oder -elementen herzustellen.

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Erzeugung einer räumlichen Verklammerungsstruktur auf der metallischen Seite, die eine Materialverklammerung mit der Kunststoffmatrix und/oder dem Fasermaterial ermöglicht. Das hier entwickelte Verfahren zur Strukturerzeugung wurde aus der Theorie zur Fließspanbildung abgeleitet. Es beruht auf der Entstehung einer Spanwurzel, welche nicht vom Grundwerkstoff abgetrennt wird. Für diesen Prozess galt es entsprechende Werkzeuge und die relevanten Prozessparameter zu identifizieren. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen sind von numerischen Methoden gestützt worden. Als Ergebnis liegen für unterschiedliche Werkstoffe und Prozessparameter Strukturkataloge vor, die anhand von geometrischen Merkmalen hinsichtlich ihrer Eigenschaften zur Materialverklammerung charakterisiert wurden.

Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen zur Strukturerzeugung folgte die Bewertung der Materialverklammerung im hybriden Verbund. Die Probenherstellung fand im Hybrid-Spritzguss statt, die Analyse der Verbundfestigkeit durch unterschiedliche Kopf- und Scherzugproben. Im Fokus stand die Bewertung der Strukturausprägung, der Einfluss unterschiedlicher Lastrichtungen auf den Verklammerungseffekt und die Analyse verschiedenster Strukturfelder. Zudem wurde die Auswirkung der Strukturdichte auf die maximal übertragbaren Kräfte im Grenzflächenbereich der beiden Materialien betrachtet. Wie bereits bei der Strukturerzeugung wurden die experimentellen Untersuchungen durch numerische Berechnungsmodelle ergänzt. Hierdurch konnten ebenfalls die Versagensmechanismen diskutiert und eine Beurteilung der bauteilinneren Spannungsverteilung vorgenommen werden.