Im Automobilleichtbau ist ein deutlicher Trend hin zu Multi-Material- oder Hybridbauweisen festzustellen. Diese zeichnen sich durch große Leichtbaupotentiale aus. Insbesondere die Hybridbauweise ermöglicht dabei einen belastungsangepassten Bauteilentwurf z. B. durch die Möglichkeit der lokalen Eigenschaftsanpassung des Werkstoffverbunds hinsichtlich Festigkeit und Steifigkeit. Daneben kann durch den gezielten, lokalen Einsatz teurer und energieintensiver Hochleistungswerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK) ein ökonomischer und ökologischer Leichtbau realisiert werden.

Das im Rahmen der vorliegenden Dissertation untersuchte Prepreg-Press-Verfahren stellt eine Möglichkeit dar, Metall-Faserverbundkunststoff (FVK)-Hybrid-Strukturen in großen Serien herstellen zu können. Für die Untersuchungen wurden drei zentrale Handlungsfelder identifiziert: 1. die Werkstoff- und Bauteileigenschaften, 2. der Herstellungsprozess und 3. der Produktentwicklungsprozess.

Zunächst wurde die Eignung des Verfahrens zur Herstellung qualitativ hochwertiger FVK-Laminate im Vergleich zu gängigen Verfahren, wie dem Autoklavverfahren, festgestellt. Dies erfolgte anhand von Zug- und Biegeversuchen sowie materialographischen Untersuchungen. Auch wurden verschiedene Fügetechnologien untersucht, um die Einzelkomponenten zu einem leistungsfähigen Verbund zu vereinen. Der Fokus lag hierbei aufgrund der ohnehin vorhandenen, großen Überlappungsfläche der Komponenten auf dem klebtechnischen Fügen. Es konnte gezeigt werden, dass eine direkte Verbindung der Komponenten durch die Nutzung des Matrixharzes als Klebstoff möglich ist. Die Klebfestigkeit sowie die Brucharbeit liegen allerdings unter den Werten einer strukturellen Klebung. Der Vorteil des direkten Klebens liegt jedoch in dem Wegfall eines zusätzlichen, aufwändigen Klebprozesses, was zu einer Kostenreduzierung führt.

Anschließend wurden relevante Aspekte des Pressvorgangs wie Prozessparameter oder das Aushärtungsverhalten untersucht, der Herstellungsprozess im Hinblick auf spezifische Anforderungen aus der Automobilindustrie konkretisiert und die Grenzen des Prozesses erfasst. Die erreichbaren Taktzeiten des Bauteilherstellungsprozesses lagen im Labormaßstab zwischen 150 und 270 s, wobei eine ausreichende Voraushärtung innerhalb von ca. 90 s realisiert werden konnte. Die vollständige Aushärtung der Matrix erfolgt anschließend in einem ohnehin nachgeschalteten Lackierprozess. Ferner wurden Werkzeug- und Fertigungskonzepte für eine spätere Umsetzung des Verfahrens entwickelt. Die Augenmerke lagen hierbei u. a. auf einer Minimierung des Nachbearbeitungsaufwands oder auf einer weiteren Reduzierung der Taktzeiten durch fertigungstechnische Maßnahmen. Die mittels des Prepregpressens hergestellten Bauteile wiesen unter quasistatischer und schlagartiger Belastung ein hohes Leichtbaupotential im Vergleich zu reinen Stahlstrukturen auf. Dies konnte mittels experimenteller Untersuchungen an unterschiedlichen realbauteilähnlichen Strukturen nachgewiesen werden.

Die Erkenntnisse flossen schließlich in eine Methodik zur Entwicklung von Hybridstrukturen ein. Diese gliedert sich in insgesamt sieben Module, die je nach Entwicklungsaufgabe variabel zusammengestellt werden können. Die einzelnen Module sind: 1. Marktsituation und Trendanalyse, 2. Entwicklung von Hybridstrukturen, 3. Methodisches Gestalten, 4. Optimierung von Produkten, 5. Planung der Herstellungsprozesse sowie 6. Wissensbasis. Ein wesentlicher Aspekt der Methodik ist die Aufteilung der Entwicklungsprozesse in generische und spezifische Vorgehensmodelle. Erstere bilden dabei die Grundlage für das Vorgehen und strukturieren den Entwicklungsprozess. Letztere beinhalten Eigenschaften der Verfahren und der Werkstoffe sowie deren Wechselwirkungen. Diese Methodik unterstützt einen systematischen Entwicklungsprozess von hybriden Leichtbaustrukturen.

Schlagwörter: Automobil; Leichtbau; Faserverbundkunststoffe; Prepreg; Prepregpressen; Hybridbauteil; Hybridwerkstoff

Schriftenreihe Institut für Leichtbau mit Hybridsystemen