Diese Arbeitsgruppe am Institut befasst sich mit neuartigen Verfahren zum Verbinden von Metall- und Faserwerkstoffen. Basierend auf der Formgebung im teilflüssigen Materialzustand werden hierbei Prozesse entwickelt, die eine konstruktions- und belastungsgerechte Kombination der verwendeten Werkstoffe ermöglichen und die Nachteile konventioneller Fertigungsverfahren überwinden. Die dabei untersuchten Herstellrouten basieren auf der Infiltration der Faser(bündel-) zwischenräume durch eine teilflüssige Aluminiummatrix, wodurch eine feste Verbindung zwischen diesen artfremden Materialen entsteht. Untersucht werden im Einzelnen Kurz- und Langfasern aus Kohlenstoff mit verschiedenen Konditionierungen – AlSi – Matrizes, sowie Keramik- und Glasfasern in unterschiedlichen Anwendungen.
Verfahrensskizze und erfolgreich gefügte Probe (Al-Carbongewebe-AL) mit kreisrunder Fügezone
Das Institut befasst sich im Rahmen dieses Forschungsprojekts mit der Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zum Fügen von Carbon- und Metallstrukturen. Bei diesem Prozess, der auf der Formgebung im teilflüssigen Materialzustand beruht, werden zwei Aluminiumbleche mittels zweier Elektroden konduktiv auf ein Temperaturniveau knapp oberhalb der Solidustemperatur des Aluminiums erwärmt, so dass ein dazwischenliegendes Carbongewebe von dem teilflüssigen Material infiltriert und eine feste Verbindung zwischen Blechen und Gewebe erzeugt wird. Nach der experimentellen Verbesserung der Regelung des Erwärmungsprozesses im ersten Förderjahr konnte im zweiten Förderjahr die Erwärmung der Probe simulativ abgebildet werden. Zudem konnte der Einfluss verschiedener Parameter herausgearbeitet werden, so dass unter Verwendung genau definierter Heizleistungen und Elektrodenpresskräfte bis zu 25 Carbonlagen mit Aluminium verbunden werden können. Im letzten Forschungsabschnitt sollen abschließende Festigkeitsuntersuchungen und elektromikroskopische Analysen der Faser-Metall-Grenzfläche durchgeführt werden. Schließlich soll die numerische Modellierung des Prozesses um die Simulation der Gewebeinfiltration durch die Aluminiummatrix ergänzt werden.
Laufzeit: 01.2015 - 06.2017
Endlosfasern, bereichsweise eingebettet in eine Al-Si-Matrix
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die materialgerechte Fügung von Faserverbundwerkstoffprofilen, welche durch den Übergang von Faserverbundwerkstoffen mit Polymermatrix zu Faserverbundwerkstoffen mit Metallmatrix in den Knotenpunkten der Lastübertragung ermöglicht werden soll. Hierfür wird die Polymermatrix im Knotenbereich durch eine metallische Matrix substituiert, wodurch das große Potential von faserverstärkten Kunststoffprofilen im Hinblick auf Materialersparnis, CO2-und Massenreduktion sowie die herausragenden statischen Eigenschaften voll ausgeschöpft werden kann. Dazu wurde ein Werkzeug für die Formgebung teilflüssiger Al/Si-Legierungen konzipiert, konstruiert, simuliert und anschließend gefertigt. Dieses Formgebungswerkzeug ermöglicht die partielle Infiltration von faserartigen Verstärkungskomponenten in Form von Kohlenstoff- bzw. Glasfaser-Rovings durch teilflüssige bzw. flüssige Aluminiumwerkstoffe. Im Anschluss ist es möglich, eine Polymermatrix auf die freiliegenden Faserenden aufzubringen und somit den angestrebten Übergang zu realisieren.Die Ergebnisse der durchgeführten Formgebungsversuche zeigen, dass eine nahezu vollständige Infiltration durch die metallische Matrix ohne Schädigung der Fasern möglich ist. Die hergestellten Lasteinleitungszonen besitzen dabei eine höhere Leistungsfähigkeit gegenüber standardisierten Pultrusionsprofilen in diesem Lasteinleitungsbereich. Im Rahmen weiterer Forschungsarbeiten sollen alternative Bauteilgeometrien realisiert und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften analysiert werden.
Laufzeit: 01.2011 - 08.2014