1: Verfahrensentwicklung zur Herstellung von Aluminium- und Magnesiumblechen mit strukturierten Oberflächen

Mit dem Ziel die mechanische Oberflächenstrukturierung der ausgewählten Leichtmetalle mittels des serientauglichen Prozesses des Walzprägens (in Analogie zum Dressierwalzen) zu realisieren sind folgende Einzeluntersuchungen durchgeführt worden: (1) Schaffung eines Benchmarks mittels Sandstrahlen und Bürsten von metallischen Einlegern für Haftfestigkeitsuntersuchungen des IST, der TU Chemnitz. Sowohl die gebürsteten als auch die gestrahlten Blechoberflächen liefern beispielgebende Vorrausetzungen für eine hohe mechanische Bindung mit Kunststoff. (2) Ermittlung von Bewertungsmaßstäben und Messmethoden zur Oberflächencharakterisierung und dessen Verknüpfung mit den erreichten Haftfestigkeiten. Als Messmethoden sind Rauheitsmessungen im Tastschnittverfahren, Topologiemessungen mittels 3D-Scanning Mikroskop und licht- und rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen ausgewählt worden. Als Referenz dienten die Blechhalbzeuge ohne Oberflächenbehandlung. (3) Erprobung des Prägeprinzips mittels Vorversuchen im Labor- und Projektmaßstab. Dabei wurden verschieden hergestellte Werkzeugoberflächenstrukturierungen und deren Übertragung auf die Blechhalbzeuge mittels des direkten Prägeverfahrens untersucht. Die Werkzeugoberflächen wurden mittels des Strahlverfahrens, des Funkenerosionsverfahrens und Elektronenstrahlverfahrens definiert strukturiert. Die geprägten Bleche sind auch an die Projektpartner der TU Chemnitz und TU Dresden für die Charakterisierung im Verbund mit Kunststoff geliefert worden. (4) Auswahl des Fertigungsprozesses für das Walzenpaar und passender Oberflächenmerkmale (Profilart, Rauheit, Profiltiefe) auf Grundlage der Vorversuche und bis dato abgeleiteten Ergebnissen für anforderungsgerechte Werkstoff- und Oberflächeneigenschaften. Ende 2017 ist die Texturierung des Walzenpaars über das Funkenerosionsverfahren in Auftrag gegeben worden. Aufgrund der potenziellen Abnutzung während der Laborwalzversuche wurde das Walzenpaar hartverchromt.

Abbildung: Walzgerüst der Firma SACK (a) und texturierte Walze (b) für das Walzprägen der Leichtmetallhalbzeuge mit Detailaufnahme (c)

2: Umformverhalten der erzeugten Halbzeuge sowie Verfahrensgrenzen der geprägten Strukturen

Der Einfluss der geprägten Strukturen auf das Grenzformänderungsverhalten der Leichtmetallhalbzeuge wurde mittels Blechtiefziehversuchen ermittelt. Dafür wurden einseitig geprägte AlMg3-Blechproben nach DIN EN ISO 12004 bei 200 °C geprüft. Die Grenzformänderungsanalyse zeigt, dass die Umformgrenzen der Bleche durch die Prägung heruntergesetzt wurden. Die Hauptursache sind die nur sehr lokal eingebrachten Eindrücke durch das direkte Prägeverfahren. Das später folgende Walzprägeverfahren stellt eine gleichmäßigere und flächige Veränderung der Oberfläche in Aussicht, was der Herabsetzung der Grenzformänderung entgegenwirkt. Daher werden tiefergehende Untersuchungen zu den Einsatzgrenzen mechanischen Eigenschaften und Verfahrensgrenzen anschließend mit Blechen aus dem Walzprägeverfahren durchgeführt.

3: Verfahren zur Oberflächenbehandlung der metallischen Halbzeuge, Ermittlung geeigneter Haftvermittler

Im Zuge einer Literaturrecherche und in Rücksprache mit den Projektpartnern des IST der TU Chemnitz, die einen basisch eingestellten PA-Kunststoff für das Projektvorhaben verwenden, sind mögliche Behandlungs- und Beschichtungsmethoden für eine separate chemische Oberflächenvorbehandlung zur Aktivierung der Blechoberflächen ermittelt worden. Es sind die Varianten Reinigung (Referenz), Reinigung + Tauchbadbehandlung mit verdünnter Natronlauge, Reinigung + Tauchbadbehandlung mit verdünnter Salpetersäure, Reinigung + KTL-Beschichtung und Reinigung + Zinkatverfahren als chemische Oberflächenvorbehandlung ausgewählt worden. Sowohl große mechanisch vorbehandelte Leichtmetallbleche (für das ILK der TU Dresden) als auch mechanisch vorbehandelte Einleger (für das Ist der TU Chemnitz) sind bereits im Verbund mit Kunststoff erprobt worden. Die Ergebnisse aus der chemischen Oberflächenvorbehandlung sowie deren Wirkung und Eignung werden im nächsten Berichtzeitraum erläutert.

Abbildung: Leichtmetalleinleger welche, wie in der Abbildung (a) angeordnet, chemisch (Tauchbadbehandlung o. A.) oder mechanisch (Proben aus dem direkten Prägeverfahren, Abbildung (b)) vorbehandelt werden können

4: Charakterisierung und experimentelle Modellierung des Umformverhaltens der Hybridverbunde

Im Berichtzeitraum ist außerplanmäßig bereits mit der modelhaften Beschreibung der Leichtmetallhalbzeuge für die FEM-Simulation begonnen worden. Dazu sind Voruntersuchungen zum Schichtstauchversuch für die Ermittlung der Umformeigenschaften der Leichtmetallhalbzeuge durchgeführt worden.

1: Prozesstechnische Integration thermoplastischer FKV-Schichten

Auf Grundlage eines Anforderungsprofils wurde ein serienfähiger Herstellungsprozesses für Hybridlaminate entwickelt. Dabei wurde vor allem auf den Einfluss der Prozessführung auf die Anhaftung der Thermoplastschichten an den Metalllagen untersucht. Dabei kam zunächst ein kommerziell verfügbarer Haftvermittler zum Einsatz. Dennoch wurde die Übertragbarkeit der Prozessführung (Preformzuschnitt, Stapelung, Aufheizen, Pressverfahren, Abkühlen) auf eine Herstellung einer chemisch aktivierten Grenzschicht (Projektpartner IST, TU Chemnitz) berücksichtigt. Die Herstellbarkeit mit oberflächenstrukturierten Metalllagen des IMF, TU Bergakademie Freiberg wurde nachgewiesen.

Abbildung: Prozesskette Halbzeugplattenherstellung, Vogt-Presse (Vakuum)

2: Auslegung von Demonstratoren und Prüfkörpern anhand geeigneter Materialmodelle

Die numerischen Untersuchungen erfolgten auf Grundlage bereits durchgeführter oder geplanter, experimenteller Versuche. Mit den gewählten Materialmodellen kann das Deformations- und Versagensverhalten von Hybridlaminaten beschrieben werden. Entsprechende Materialkarten für das FE-Programm LS-DYNA wurden erstellt. Darüber hinaus wurden geeignete Grenzschicht- und Kontaktmodelle erprobt. Schließlich konnten Prüfkörper mithilfe der numerischen Simulationen ausgelegt werden. Diese Auslegungsmethodik konnte anhand experimenteller Schlagbiegeversuchen validiert werden.

Abbildung: Simulationsmodell des DCB-Versuchs

3: Variation der Faserverstärkung

Beim Zug- und Querzugverhalten von UD-Lagen ist der Faserzugmodus nicht relevant für das Drapierverhalten, da die Steifigkeit in Faserrichtung im geschmolzenen Zustand um mehrere Größenordnungen höher im Vergleich zu den übrigen Deformationsmechanismen (longitudinaler Schub und Querzug) ist. Das Querzugverhalten wurde daher mittels einer Dynamisch Mechanischen Analyse (DMA) untersucht und es konnte gezeigt werden, dass ein ausgeprägtes rate-abhängiges Verhalten vorherrscht. Die wichtigsten Deformationsmechanismen sind Schub (in der Ebene) und Biegung (aus der Ebene heraus). Eine Variation der Faserverstärkung (±45° und 0/90°) wird dabei die Umformbarkeit der Hybridlaminate einschränken.

4: Reduktion prozessinduzierter Eigenspannungen

In diesem Arbeitspaket wurden die entlang der Prozesskette, Aufwärmen, Umformen und Abkühlen auftretenden wichtigsten physikalischen Effekte und ihre mechanische Beschreibung (Wärmeübertragung, viskoelastische und plastische Deformation) herausgearbeitet. Auf Grundlage wurden die Teilprozessschritte in geeigneten numerischen Code modelliert.

1: Technologien zur polymerchemischen Modifikation und Oberflächenaktivierung der Kunststoffe

Um die Auswirkungen der Additive einschätzen zu können wurden zunächst umfassende werkstoffmechanische und polymerchemische Charakterisierungen des Ausgangsmaterials vorgenommen. Die Ermittlung einiger hochdynamischer Werkstoffkennwerte erfolgte am ILK, TU Dresden an spritzgegossenen Probekörpern. Im Weiteren wurden basierend auf dem Stand der Technik mögliche Additive für eine Verbesserung der Haftfestigkeiten zwischen Metall und Kunststoff ausgewählt und charakterisiert. Die chemische Modifizierung erfolgte maßgeblich durch bifunktionelle Epoxydharze sowie durch niedermolekulare, mehrwertige Carbonsäuren. Des Weiteren erfolgten Voruntersuchungen bezüglich der chemischen Modifikation und Wirkungsweise der ausgewählten Additive in Abhängigkeit der Konzentration durch nasschemische Beschichtung der Metallkomponenten. Die ausgewählten Rezepturen wurden auf den Extrusions- und Co-Extrusionsprozess übertragen und hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Fließfähigkeit und thermischer Stabilität beurteilt. Die Ermittlung der Haftfestigkeiten infolge chemischer Polymermodifikation erfolgte an spritzgegossenen Scherzugproben unter Variation der Metalleinleger, deren thermischer und mechanischer Vorbehandlung, der Additive und deren Konzentrationen. Die Proben wurden unter Nutzung umfangreicher Magnesiumhalbzeuge aus der Herstellung des IMF, TU Freiberg sowie Metalleinlegern mit dort aufgebrachten Oberflächenstrukturen hergestellt.

Abbildung: Scherzugfestigkeiten der Metall-Kunststoffverbunde mit verschiedenen Metalleinlegern unterschiedlicher Vorbehandlung und Temperatur sowie Polymeren mit verschiedenen Additiven im konditionierten oder trockenen Zustand

2: Modellierung des Grenzschichtverhaltens Metall/Kunststoff

Die Grenzschichten des Metall-Kunststoff-Verbundes werden mit Hilfe von Finiten Elementen numerisch untersucht. Dabei kommen sowohl element- als auch flächenbezogene Kohesivzonenmodelle zur Anwendung und werden hinsichtlich Ergebnissgenauigkeit und Berechnungsaufwand verglichen. Die Modelle dienen ferner der Ermittlung lokaler Spannungsverteilungen in der Fügezone und werden anhand von Versuchsergebnissen mit Scherzugproben experimentell validiert. Die effizienten Modellierungsvarianten werden in der Folge in der numerischen Sensitivitätsanalyse und inversen Parameteridentifikation zur Ermittlung der immanenten Freiwerte der Modelle angewendet. Die Modelle basieren auch auf Werkstoffparametern der Leichtmetalle, die aus Versuchsergebnissen des IMF, TU Freiberg abgeleitet wurden.

3: Prozesstechnologien zur Erzeugung von Verbunden mit kompakten und geschäumten Polymerschichten

Zur Verarbeitbarkeit der additivierten Polymere wurden umfangreiche Prozessparameterstudien durchgeführt. Damit konnte eine Anpassung der Temperaturführung des Spritzgießprozesses auf die individuellen Viskositätseigenschaften der additivierten Compounds sowie eine Minimierung negativer Wechselwirkungen durch Spaltprodukte aus der thermischen Beanspruchung erfolgreich umgesetzt werden.

Abbildung: Beispiel von materialspezifischen Temperaturverteilungen in der Plastifiziereinheit der Spritzgießmaschine für das Referenzmaterial und ein additiviertes Compounds

4: Ermittlung prozessbedingter Eigenspannungen und Grenzflächenhaftung

Basierend auf geometrischen Untersuchung der Fügezone des Kunststoffteils der Scherzugproben wurde die lokale thermische Schwindung infolge der Angussgestaltung nachgewiesen. Aus den Erkenntnissen wurde eine neuartige Prüfkörpergeometrie sowie ein entsprechendes Spritzgießwerkzeug als Formeinsatz konzipiert, konstruiert und in Betrieb genommen.

 

Abbildung:Topografische Analyse (mittels GOM Atos) der Kunststoffkomponente eines Scherzugprobekörpers mit Soll-Ist-Vergleich