Leichtbau zählt als eines der Zukunftstechnologien des 21. Jahrhunderts, um sowohl die Mobilitätsfragen von morgen zu beantworten als auch die klima- und energiepolitischen Ziele zu erreichen. Ein wesentlicher Fokus wird dabei auf Multi-Material-Systeme gelegt. Insbesondere die Kombination von faserverstärkten Kunststoffen und metallischen Legierungen zu sog. hybriden Laminaten zeigt ein hohes Substitutions- und Leichtbaupotential gegenüber klassischen monolithischen Konstruktionswerkstoffen. Vorrangig werden derartige hybride Schichtverbunde mit einer duroplastischen Matrix hergestellt, wodurch allerdings Restriktionen, bspw. gegenüber Produktivität, Recycling- und Lagerfähigkeit, resultieren. Eine besondere Alternative dazu bieten hybride Laminate auf Thermoplastbasis. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die am Bundesexzellenzcluster MERGE entwickelten neuartigen thermoplastbasierten Schichtverbunde Carbon Fibre-Reinforced Polyamid/Aluminium Laminate (CAPAAL®) und Carbon Fibre-Reinforced Thermoplastic Polyurethane/Aluminium Laminate (CATPUAL) erforscht und im optimierten variothermen Pressprozess hergestellt. Um die Werkstoffverbunde über die Grundlagenforschung hinaus, etwa in der industriellen Nutzung, zu etablieren, wurden umfangreiche Charakterisierungen und Fertigungsstudien durchgeführt. Zum einen erfolgten mikrostrukturell-analytische Untersuchungen u. a. zu der Imprägniergüte, der Oberflächenbehandlung der Aluminiumlegierung und des Versagensverhaltens. Zum anderen fanden mechanisch-technologische Charakterisierungen bezüglich quasi-statischer Versuche unter Zug- und Biegebelastung sowie Ermüdungsversuche unter Biegebelastung im Niedrig-Frequenzbereich statt. Die quasi-statischen Untersuchungen der Subkomponenten (Aluminiumlegierung, Verbundwerkstoff) und der hybriden Laminate wurden sowohl unter Raumtemperatur als auch unter definierten Temperaturbelastungen und Konditionierungszuständen durchgeführt, um deren Sensitivität zu analysieren sowie zu bewerten. Ebenfalls erfolgten analytische Berechnungen zur Auslegung der hybriden Schichtverbunde basierend auf der klassischen Laminattheorie und der Mischungsregel unter Einbeziehung des Metallvolumengehalts. Darüber hinaus wurden die thermisch induzierten Eigenspannungen analytisch ermittelt und in die Berechnungen der quasi-statischen Kennwerte inkludiert. Anhand der Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass CAPAAL® und CATPUAL als „maßgeschneiderte“ Halbzeuge oder Strukturbauteile mit einem hohen Leichtbaupotential für großseriennahe Anwendungen prädestiniert sind. Diese weisen in Abhängigkeit der medialen Belastungen eine höhere Performance und ein weniger katastrophales Versagensverhalten als die entsprechenden Faser-Kunststoff-Verbunde auf. Zudem wurde konstatiert, dass eine hervorragende Ermüdungsfestigkeit unter Biegebelastung vorliegt. Die theoretischen Vorhersagen weisen vor allem über den Ansatz der Mischungsregel eine gute Korrelation zu den experimentell ermittelten Kennwerten auf.:1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Materialien und experimentelle Untersuchungen 4 Versuchsergebnisse und Diskussion 5 Bewertung der erzielten Ergebnisse 6 Ausgewählte Leichtbaulösungen 7 Zusammenfassung und Ausblick / Lightweight construction is considered one of the future technologies of the 21st century, both to answer tomorrow's mobility questions and to achieve climate and energy policy goals. A major focus is placed on multi-material systems. In particular, the combination of fibre-reinforced plastics and metal alloys to form so-called hybrid laminates shows a high substitution and lightweight construction potential compared to classic monolithic construction materials. Such hybrid laminates are primarily produced with a thermoset matrix, which results in restrictions, e. g. with regard to productivity, recyclability and storability. Hybrid laminates based on thermoplastics offer a special alternative. In the context of this work, the novel thermoplastic-based laminates Carbon Fibre-Reinforced Polyamid/Aluminium Laminate (CAPAAL®) and Carbon Fibre-Reinforced Thermoplastic Polyurethane/Aluminium Laminate (CATPUAL) were researched and produced in an optimised vario-heat pressing process. In order to establish the material composites beyond basic research, for example in industrial use, extensive characterization and manufacturing studies were carried out. On the one hand, microstructural-analytical characterisations were conducted, for example, on the impregnation quality, the surface treatment of the aluminium alloy and the failure behaviour. On the other hand, mechanical-technological investigations were carried out with regard to quasi-static tests under tensile and bending load as well as fatigue tests under bending load in the low-frequency range. The quasi-static tests of the subcomponents (aluminium alloy, composite material) and hybrid laminates were carried out both at room temperature and under defined temperature loads and conditioning conditions in order to analyse and evaluate their sensitivity. Analytical calculations for the design of the hybrid laminates based on the classical laminate theory and the rule of mixtures including the metal volume content were also considered. Furthermore, the thermally induced residual stresses were determined analytically and included in the calculations of the quasi-static characteristic values. Based on the investigations, it was possible to prove that CAPAAL® and CATPUAL are predestined as 'tailor-made' semi-finished products or structural components with a high lightweight construction potential for applications close to large-scale production. Depending on the medial loads, these exhibit higher performance and less catastrophic failure behaviour than the corresponding fibre-plastic composites. In addition, it was stated that there is an excellent fatigue strength under bending load. The theoretical predictions show a good correlation to the experimentally determined characteristic values, especially via the rule of mixtures approach.:1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Materialien und experimentelle Untersuchungen 4 Versuchsergebnisse und Diskussion 5 Bewertung der erzielten Ergebnisse 6 Ausgewählte Leichtbaulösungen 7 Zusammenfassung und Ausblick

In den letzten 20 Jahren näherte sich der einst nur für die Luft- und Raumfahrt entwickelte kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) mehr und mehr der industriellen Umsetzung in anderen Bereichen an. Die CFK-Halbzeuge und -Bauteile sind nun auch preislich in der Lage, unter Anwendung angepasster Fertigungsverfahren breiter eingesetzt zu werden. Der Fokus dieser Arbeit richtet sich exemplarisch auf die kosten- und energieeffiziente Herstellung von schnell laufenden CFK-Verbundwalzen und soll aufzeigen, dass Kostenersparnisse über Leane Fertigungsmethoden auch in der FKV-Industrie von großem Vorteil sind. Somit liefert diese Dissertationsschrift einen beispielgebenden Beitrag für den Durchbruch von Faserverbund-werkstoffen im industriellen Bereich. Darüber hinaus werden durch Prozessoptimierung Alternativen aufgezeigt, qualitativ hochwertigere und gleichsam kosteneffiziente Bauteile herzustellen.:1 Einleitung 6 2 Motivation und Zielsetzung 7 3 Entwicklung der Rohstoffkosten 12 3.1 Abhängigkeit vom Rohöl 13 3.2 Preisentwicklung von Stahl 13 3.3 Preisentwicklung von Kohlenstofffaser im Vergleich zu Stahl 14 3.4 Automatisierung 15 4 Selektion des Untersuchungsgegenstandes 17 4.1 Typenauswahl für die Untersuchung 17 4.2 Belastung und Geometrie 19 4.3 Verwendete Rohstoffe 22 4.3.1 Fasern 22 4.3.2 Matrix-System 24 4.4 Hygrothermische Eigenspannungen 29 4.5 Berechnung der Laminatstruktur 32 4.6 Wettbewerbsvorteil und Routine 34 4.7 Das schlanke Produktionskonzept „Lean“ 37 5 Allgemeine Anforderungen an den Prozess 40 5.1 Kernkompetenz und Fertigungstiefe 40 5.2 Prozessbeschreibung 40 5.2.1 Sektionen 41 5.2.2 Auswuchten 74 5.3 Qualität 75 5.3.1 Total Quality Management 75 5.3.2 Prozessintegrierte Qualitätssicherungsverfahren 78 5.4 Der konventionelle Prozess 80 5.4.1 Untersuchte Fertigungsart 80 5.4.2 Materialfluss 81 5.5 Analyse des konventionellen Prozesses 82 5.5.1 Herstellkosten 82 5.5.2 Lernkurve 86 6 Der Leane Ansatz in der Composite-Fertigung 88 6.1 Zielstellung 88 6.2 Lean Prozess in der Umsetzung der Sektionen 88 6.2.1 Störfunktion „Doppelwickeln“ 89 6.2.2 Sektionen 91 6.3 Kostenanalyse 101 7 Zusammenfassung und Ausblick 102 8 Verzeichnisse 104 8.1 Literatur- und Quellenverzeichnis 104 8.2 Abbildungsverzeichnis 113 8.3 Tabellenverzeichnis 116 8.4 Zitierte Patente 116 9 Anhang 117