Beitrag zur Umformung von ebenen und versteiften Schichtverbundwerkstoffen

Abstract

Moderne hybride Schichtverbundwerkstoffe kommen heutzutage vor allem für Leichtbau und Dämpfungsanwendungen zum Einsatz, um leichte Bauteile für hohe Belastungen herzustellen. In der Luft- und Raumfahrt stellen solche Werkstoffe aufgrund der höheren zulässigen Kosten und der einfacheren Bauteilgeometrien den aktuellen Stand der Technik dar, während diese im Karosseriebau derzeit noch höchst selten zum Einsatz kommen. Durch die Verwendung von Werkstoffen mit Zwischenschichten geringer Dichte wird die Steifigkeit, aber auch die Verbunddicke erhöht. Dadurch können leichtere Bauteile hergestellt werden, die jedoch umformtechnische Herausforderungen beinhalten. Beispielsweise führen diese zum erschwerten Falzen von Randbereichen und zur ungenügenden Abstützung der Deckbleche während des Tiefziehens. Gleichzeitig spielt zunehmend das akustische Abstrahlverhalten der Bauteile in die Umgebung eine entscheidende Rolle. Für dämpfende Aufgaben werden zwischen zwei Deckblechen dünne, viskoelastische Zwischenschichten verwendet, um Biegeschwingungen und somit die akustische Abstrahlung zu verringern. Im ersten Teil der Arbeit werden ebene Schichtverbunde und einseitig mit Versteifungselementen versehene Verbunde vorgestellt. Das Flächenträgheitsmoment wird dabei nicht durch eine dickere Zwischenschicht, sondern durch Sicken in einem Deckblech erhöht. Somit kann nach wie vor eine dünne Zwischenschicht mit dämpfenden Eigenschaften bei hoher Bauteilsteifigkeit verwendet werden. Vor allem großflächige Bauteile können gezielt versteift und unversteifte Randbereiche hervorragend gefalzt werden. Durch die einseitige Versteifung können bis zu vier Mal höhere Biegebelastungen aufgenommen und mit einer Sickengestaltung kann die akustische Abstrahlung halbiert werden. Außerdem bleibt eine ebene Bauteilseite für den Werkzeugkontakt oder für optische Anforderungen an das Bauteil erhalten. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden Schichtverbunde mit textilen Zwischenschichten untersucht, die sowohl einen interessanten Leichtbaufaktor als auch dämpfende Eigenschaften aufweisen. Einen Schwerpunkt der Arbeit bildet die Charakterisierung dieses Schichtverbundwerkstoffes, zum Beispiel durch Scherzug-, Biege- und Tiefziehversuche sowie Scherschneiduntersuchungen. Insbesondere erweiterte Versagensarten von Schichtverbunden durch Faltenbildung und Delamination in der Zwischenschicht konnten durch eine geeignete Auslegung der Schichtdicken und Umformwerkzeuge vermieden werden. Im dritten Teil der Arbeit werden Umformsimulationen mit verschiedenen Ersatzmodellen unter Berücksichtigung des dreischichtigen Aufbaus untersucht. Die Kennwerte der Werkstoffcharakterisierung werden als Parameter für die Simulationsmodelle verwendet und anschließend mit Hilfe von Umformexperimenten validiert. Es konnten sowohl die Eigenschaften der Deckbleche als auch der Zwischenschicht berechnet werden. Vor allem die Eingabeparameter, wie z. B. die Normal- oder Scherfestigkeiten der Zwischenschicht, die Genauigkeit und die Berechnungszeit der Simulation, spielen eine wesentliche Rolle für den wirtschaftlichen Einsatz solcher Modelle in der Entwicklung von Bauteilen aus Schichtverbunden. Mit Hilfe von bestehenden (größtenteils genormten) und mit neu entwickelten Prüfverfahren konnten die Eigenschaften von Schichtverbunden mit integrierten Versteifungselementen und textilen Zwischenschichten entsprechend genau modelliert und korrespondierende Modellparameter bestimmt werden. Außerdem wurden in Biege- und Tiefziehversuchen die umformtechnischen Grenzen für diese Werkstoffe ermittelt. Dadurch wurde ein wissenschaftlicher Beitrag zur Werkstoffcharakterisierung und zur Auslegung von Umformprozessen moderner hybrider Schichtverbundwerkstoffe geleistet sowie Grenzen der Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse aufgezeigt.