A03 - Berechnung und Bewertung prozessinduzierter Werkstoffstrukturphänomene in FKV-Metall-Verbindungen

Der Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) mit thermoplastischer Matrix ermöglicht die Fertigung von Leichtbaustrukturen innerhalb kürzester Taktzeiten. Durch Ausnutzung der charakteristischen Werkstoffeigenschaften, insbesondere der Warmumformbarkeit und der Anisotropie, lassen sich zudem Verbindungen artfremder Fügepartner mit neuartigen Montageschnittstellen wie warmgeformten Bolzenlöchern, Thermoclinch-Verbindungen, thermisch unterstützte Clinchverbindungen, warmeingebettete Inserts oder hilfsmittelfrei gefügte Pin-Verbindungen realisieren. Die zugehörigen Fügeprozesse und deren Vorbereitungsschritte gehen mit sukzessiven lokalen Veränderungen der Werkstoffstruktur des FKV einher. So werden etwa bei warmgeformten Löchern in Thermoplastverbunden Fasern in der Fügezone verschoben und so die Verstärkungsstruktur lokal verdichtet, woraus sich örtlich variierende Faservolumenanteile und Faserwinkel sowie Verdrängungen des Matrixmaterials ergeben. Diese lokal variierende Werkstoffstruktur mit ihrem maßgeblichen Einfluss auf das Tragverhalten der Verbindung resultiert aus einer Vielzahl werkstofflicher und konstruktiv-technologischer Einflussparameter. Bislang wird sie über aufwändige Strukturaufklärungen der Fügezone nach dem Fügeprozess ermittelt, da eine Vorhersage mittels Prozesssimulation nur eingeschränkt möglich ist. Die nachgelagerte rechnerische Tragfähigkeitsanalyse erfolgt unter der Annahme einer idealisierten Verstärkungsstruktur und abgeminderten Einzelschichtkennwerten. Damit werden derzeit erhebliche Potenziale hinsichtlich der spezifischen Tragfähigkeit der Verbindungsstelle sowie der flexiblen Anpassung des Fügeprozesses nicht ausgeschöpft.

Im Hinblick auf eine prognosesichere Fügbarkeit sowie eine verbesserte Ausnutzung des Lastübertragungspotenzials von Thermoplastverbund-Metall-Strukturen und der damit einhergehenden Wandlungsfähigkeit der Prozesskette soll im Teilprojekt A03 eine durchgängige Simulationskette vom Fügeprozess bis zur strukturmechanischen Bewertung von FKV/Metall-Verbindungen erarbeitet werden. Hierzu wird eine skalenübergreifende Betrachtungsweise erarbeitet, mit der sich der Einfluss prozessbedingter Vorgänge auf die resultierende mikroskopische Werkstoffstruktur aufzeigen und im Rahmen makroskopischer Tragfähigkeitsanalysen warmgeformter FKV-Verbindungselemente auf Verbundebene berücksichtigen lassen. Hierfür werden Methoden zur Modellierung und Berechnung der aus dem jeweiligen Fügeprozess resultierenden ortsaufgelösten FKV-Eigenschaften entwickelt. Das zu erarbeitende tiefgreifende phänomenologische Verständnis sowie die physikalisch basierte Betrachtungsweise bilden die Grundlage für die werkstoffgerechte Flexibilisierung der im TR betrachteten Prozessketten. Erst hiermit lassen sich variierende Geometrie-, Werkstoff- und Prozessparameter in der Berechnung bereits im Konstruktions- und Auslegungsprozess zielgerichtet adressieren und deren Einfluss auf die resultierende Verbindungsstelle bewerten.

Neben der Aufbereitung bereits etablierter Modellierungsansätze auf Einzelschichtebene zur Simulation des mesoskopisch homogenisierten Verbundverhaltens für FKV/Metall-Fügeverbindungen steht in Phase I insbesondere die Beschreibung der prozessbedingten Einzelfaserdeformationen auf Basis experimenteller Versuche auf der Mikroskala im Fokus. Für diese Prozessanalyse werden die Interaktionen von Einzelfasern und schmelzflüssiger Matrix während des Fügeprozesses sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Dabei wird das unterschiedliche Verdrängungsverhalten von Fasern und Matrix erfasst. Weiterführend werden richtungs- und faservolumengehaltsabhängige Permeabilitäten abgeleitet, mit denen der Warmumformprozess dann skalenübergreifend beschrieben werden kann.