Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFSichere Klebeverbindungen in hochbelasteten hybriden Strukturbauteilen
GOHybrid Hybride Leichtbauräder
Vor allem in der Mobilitätsbranche steht die Leichtbauentwicklung von Komponenten und Systemen im Fokus. Mischbauweisen aus Leichtmetallen und Faser-Kunststoff-Verbunden bieten dabei Potentiale. KonstrukteurInnen stehen bei der Bemessung hochbelasteter hybrider Strukturen vor der besonderen Herausforderung unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Werkstoffe im Auslegungsprozess zu berücksichtigen und hybride Fügeverbindungen sicher zu gestalten.
Am Markt bereits etabliert sind Hybridräder, die aus einem legierten Aluminiumstern und einer Radfelge aus Kohlenstofffaserverbund bestehen. Die Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern wird in der Regel durch eine Schraubenverbindung realisiert, da in der Fügeverbindung hohe strukturelle und thermische Belastungen herrschen Die Realisierung der Schraubenverbindung ist jedoch sehr komplex, da eine mechanische Bearbeitung des Faserverbundfügepartners und die Integration von Gewindebohrungen in den Aluminiumfügepartner sowie Dichtungsmaßnahmen erforderlich sind. Des Weiteren werden die Schraubenverbindungen meist mit einer formschlüssigen Hülsenkonstruktion ausgeführt, um resultierenden Scherkräften entgegenzuwirken. Diese zusätzlichen Elemente führen zu einem Kompromiss in Bezug auf Leichtbau.
Sicher und zuverlässig: Klebeverbindung für ein Hybridrad
Für das Fügen von Metall- und Faserverbundteilen bieten strukturelle Klebeverbindungen allgemein mehrere Vorteile: Die Lasteinleitung in das Faserverbundteil kann ohne eine Schädigung der Faserstrukturen realisiert werden. Maßabweichungen der Fügepartner können ggf. durch die jeweilige Klebstoffdicke (begrenzt) kompensiert werden und die Gesamtmasse der Verbindung kann im Vergleich zu einer Schraubenverbindung reduziert werden.
Wheel Simulation
Test Bench
Im Rahmen des öffentlich geförderten Forschungsprojekts GOHybrid wurde gemeinsam mit den Konsortialpartnern eine Klebeverbindung für ein Hybridrad entwickelt, um dessen Leistungsfähigkeit und dessen Leichtbaupotential zu demonstrieren. Das Rad als Sicherheitsbauteil muss dabei eine zuverlässige Beständigkeit gegen hohe strukturelle Belastungen aufweisen, die bei verschiedenen Lastfällen wie Geradeausfahrt, Kurvenfahrt, Beschleunigen und Bremsen auftreten. Des Weiteren müssen die einzelnen Werkstoffe der hybriden Klebverbindung sowohl bei niedrigen als erhöhten Temperaturen standhalten und deren unterschiedlichen Wärmedehnungen kompensiert werden.
Kombination von stoffschlüssiger Klebeverbindung mit formschlüssiger Geometrie
Beim Fraunhofer LBF stand die Entwicklung von Gestaltungslösungen der Hybridverbindung und experimentelle Untersuchungen im Fokus. Die entwickelte Verbindung kombiniert die stoffschlüssige Klebeverbindung mit einer formschlüssigen Geometrie und ermöglicht dennoch einen Fügeprozess des Radsterns in Rotationsrichtung. Darüber hinaus wurden durch Anpassungen des Faseraufbaus im Felgenbereich die thermischen Eigenspannungen in der Verbindung deutlich reduziert. Für die Validierung der entwickelten Gestaltungslösung wurden Bauteilähnliche Proben, die die Verbindung einer Aluminiumspeiche mit der Verbundfelge darstellen, entwickelt, hergestellt und bei unterschiedlichen Temperaturen und Lastfällen geprüft. Die Prüfergebnisse zeigen eine ausreichende Festigkeit der Klebeverbindung sowie eine Verbesserung der entwickelten Formschlussverbindung im Vergleich zu einer einfachen Klebeverbindung.
Förderer und Partner
Gefördert wurde das Projekt GOHybrid - Gestaltung und Optimierung von Hybridverbindungen unter besonderer Berücksichtigung der unterschiedlichen Wärmedehnungen der Werkstoffpartner - vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Werkstoffplattform HyMat.
Parter neben dem Fraunhofer LBF:
- OTTO FUCHS KG
- inpro Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
- INVENT Innovative Verbundwerkstoffe Realisation und Vermarktung neuer Technologien GmbH
- Dupont Transportation & Industrial
- TÜV SÜD Product Service GmbH