PROLEI – Prozesskette für das Fügen endlosfaserverstärkter Kunststoffe mit Metallen in Leichtbaustrukturen

Ein Technologieprojekt des Forschungs- und Technologiezentrums für ressourceneffiziente Leichtbaustrukturen der Elektromobilität (FOREL).

Motivation

Fahrzeugkarosserien sind heute vorwiegend in metallischer Bauweise ausgeführt. Selbst an tragenden und sicherheitsrelevanten Karosseriesegmenten kann jedoch die Ganzmetall-Bauweise durch Kombinationen faserverstärkter Kunststoffe (FVK) mit Metallen ersetzt und so erhebliches Potenzial zur Masseeinsparung gehoben werden. Die richtungsabhängige Belastbarkeit der FVK kann dabei gezielt zur Verbesserung der Steifigkeit oder des Crash-Verhaltens genutzt werden. Solche artungleichen Werkstoffpaarungen erfordern besondere Vorbehandlungen der Kontaktflächen.

Zielsetzung und Vorgehen

Im Forschungsprojekt PROLEI werden deshalb Bauweisen mit Kunststoff-Metall-Hybridverbunden für die industrielle Serienfertigung qualifiziert. Dafür müssen neuartige, sicher reproduzierbare Fügetechnologien entwickelt werden. Thematische Schwer­punkte bilden dabei Prozesse zum laserbasierten Strukturieren von Kontaktflächen und zur automatisierten Ausführung des Fügevorgangs. Die Entwicklung geeigneter Fertigungs- und Automatisierungstechnik ist Voraussetzung für den direkten Einsatz in industriellen Fertigungsprozessketten.

Dazu muss insbesondere eine leistungsfähige Optik entwickelt werden, die das großflächige Laserstrukturieren der Oberfläche von räumlich gekrümmten Metall- und Kunststoffbauteilen ermöglicht. Diese Oberflächenstrukturierung dient der Erzeugung eines Mikroform- sowie Stoffschlusses in Kleb- und Reibpressfügeverbindungen, wodurch diese wesentlich höher belastet werden können. Erforscht werden muss, wie Metall- und FVK-Oberflächen für die jeweilige Fügeaufgabe optimal funktionalisiert werden können. Auch muss sichergestellt sein, dass Einflüsse nachfolgender Fertigungsschritte die Fügeverbindung nicht schädigen. Zur Unterstützung der Auslegung derartiger Hybridbauteile wird ein Simulationsmodell entwickelt. Die neue Fügetechnologie wird beispielhaft zum robotergestützten Direktfügen duroplastischer FVK-Segmente angewandt. Diese kostengünstige, großserienfähige Technologie wird direkt in die Karosseriefertigung integrierbar sein.

Die Projektergebnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zur ressourceneffizienten Serienfertigung von Elektrofahrzeugen bei gleichzeitiger Erfüllung höchster technologischer und funktionaler Anforderungen. Es wird künftig möglich sein, belastungsgerechte und produktlebenslang sichere Fügeverbindungen artungleicher Werkstoffpaarungen in verschiedenen Werkstoffkombinationen an Fahrzeugkarosserien effizient herzustellen. Die aus dem Projekt resultierenden Weiterentwicklungen in der Fertigungs- und Automatisierungstechnik sind zudem auf vielfältige Leichtbau-Anwendungen, insbesondere auch im Luftfahrzeugbau, übertragbar.

Danksagung

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ (Förderkennzeichen 02P16Z000-02P16Z005) und mit Mitteln aus dem Energie- und Klimafonds gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

Laufzeit 01.09.2016 bis 31.08.2019
Projektpartner Airbus Group Innovations, Arges GmbH, inpro Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH, Technische Universität München (Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften), Universität Paderborn (Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik), Volkswagen AG
Förderer Bundesministerium für Bildung und Forschung - Fördermaßnahme "Leichtbaulösungen für die Elektromobilität"