InstitutNews und VeranstaltungenNews
Neue Hybridstrukturen steigern Lasteinleitung um das Vierfache

Neue Hybridstrukturen steigern Lasteinleitung um das Vierfache

© IFW Weykenat
Schliffbild des Hybridlaminats mit mehrlagigen metallischen Inserts

Leichter und stärker: Ein am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover entwickeltes Hybrid-Faserverbundkonzept vereint die Vorteile von metallischen Strukturen mit dem Leichtbaupotenzial der Faserverbundwelt und sorgt damit für eine Steigerung der übertragbaren Lasten bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion.

Der Einsatz von lasttragenden Bauteilen in Faserverbundbauweise hat sich innerhalb der Luftfahrtindustrie etabliert und bildet für den Bau neuer Flugzeugtypen die wichtigste Materialkomponente. Konventionelle Krafteinleitungskonzepte für Faserverbundstrukturen zeigen dabei nur noch wenig Potenzial zur Steigerung der einzuleitenden Lasten bei gleichzeitiger Reduktion des Gewichtes. Das Hauptproblem liegt vor allem in der nicht faser- und leichtbaugerechten Ausführung der konventionellen Krafteinleitungselemente. Das Projekt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert Projekt „Multilayer-Inserts“ – Intrinsische Hybridverbunde zur Krafteinleitung in dünnwandige Hochleistungs-CFK-Strukturen zielt darauf ab, innovative Krafteinleitungselemente zu erforschen, mit denen die Grenzen der konventionellen Krafteinleitungskomponenten überwunden werden können.

„Wir haben im Projekt ein Hybridkonzept entwickelt, das beim schichtweisen Aufbau der Faserverbundstruktur einzelne Lagen durch metallische Inserts ersetzt. Damit steigern wir die einleitbare Last im Vergleich zu herkömmlichen faserverstärkter Kunstoffstrukturen um das Vierfache. Gleichzeitig haben wir eine Gewichtseinsparung von 60 Prozent gegenüber konventionellen Krafteinleitungskonzepten für Mischbauweisen“, erläutert Projektmitarbeiter Jannik Weykenat.  

Die metallischen Inserts werden in dem neu entwickelten Hybridkonzept so platziert, dass im Bereich der Krafteinleitung ein vollmetallischer Bereich entsteht, während sich im Übergangsbereich vom zentralen Metallbereich zum Faserverbundbereich die metallischen Lagen und die kohlenfaserverstärkten Kunststofflagen (CFK) abwechseln. Im anschließenden Aushärteprozess werden die CFK-Lagen mit den metallischen verbunden, sodass eine hybride Struktur entsteht. Durch den gewählten Lagenaufbau des Hybridkonzeptes ergibt sich eine Lasteinleitung in alle Lagen des Laminats und eine große Anbindungsfläche zwischen den metallischen Inserts und dem Faserkunststoffverbund.

Für die automatisierte Herstellung eines Faserverbunds in hybrider Bauweise und die damit einhergehende Möglichkeit, dieses Konzept für großflächige Strukturen in der Luftfahrtindustrie nutzbar zu machen, haben die Projektmitarbeiter des IFW ein Fertigungskonzept zur Ablage der metallischen Inserts entwickelt. Als Basis für die Fertigung wird das Automated Fiber Placement (AFP), das für die Herstellung großflächiger FVK-Strukturen bereits industriell eingesetzt wird, genutzt.

Für die Integration der metallischen Inserts im laufenden AFP-Prozess wurde ein innovatives Schnitt- und Ablagekonzept entwickelt, das eine Integration der Inserts ohne die Reduzierung der Legegeschwindigkeiten erlaubt. Hierdurch wird eine effiziente und wirtschaftliche Anwendung des Hybridkonzepts mit bestehenden AFP-Systemen ermöglicht. Um Fertigungsfehler während der Herstellung zu identifizieren und zu beheben, nutzen die Projektmitarbeiter eine Infrarotkamera für die Qualitätskontrolle. Die Kamera überwacht die Anhaftung des kohlefaserverstärkten Materials und der metallischen Inserts.

Das neue Hybridkonzept bietet noch zahlreiche weitere Vorteile: Durch den vollmetallischen Bereich wird die Anwendung konventioneller Bearbeitungs- und Fügemethoden des Metallbaus im Bereich des Faserverbundleichtbaus für die Endbearbeitung möglich. Weykenat: „Wir konnten nachweisen, dass mechanische Fertigungsverfahren, wie beispielsweise das Bohren und Fräsen, für die Bearbeitung des Inserts genutzt werden können.“ Ebenfalls ist eine Anbindung der Hybridstruktur an Strukturen aus hochfesten Stählen durch punktuelles Widerstandsschweißen möglich. „Damit kann zum Beispiel ein Carbon-PKW-Dach an die lasttragende Struktur der Fahrgastzelle im Dachbereich angebunden werden“, sagt Weykenat.

Und: Das entwickelte Hybridkonzept kann ebenfalls im Bereich der Sandwichsstrukturen eingesetzt werden. Durch die Verwendung metallischer Einsätze zur Aufnahme von Drucklasten und die ausschließliche Einleitung der Lasten in die Deckschichten wird das Kernmaterial entlastet. Mögliche Anwendungen stellen Verbindungspunkte innerhalb der Monocoque-Bauweise im Sportwagenbereich oder beispielsweise Sportgeräte wie Surfbretter oder Kiteboards dar.

 

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen M. Sc. Jannik Weykenat, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, unter Telefon +49 4141 77638 19 oder per E-Mail unter weykenat@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.