Leichtbau beabsichtigt, die Funktion des Produkts bei gleichbleibendem Gewicht zu steigern (Wiedemann 2007). Leichtbaugerechtes Konstruieren verbessert die Funktionserfüllung bei konstantem Gewicht oder senkt das Gewicht bei gleicher Funktionserfüllung. Da auf Produkte neben der Erdbeschleunigung auch noch weitere Beschleunigungen und damit Kräfte wirken, ist nicht das Gewicht, sondern vielmehr die Masse neben der Funktion die entscheidende Eigenschaft, die im Leichtbau optimiert werden soll. Um folglich Produkte leichtbaugerecht zu konstruieren, müssen diese sowohl funktions- als auch massegerecht konstruiert werden. Die funktions- und massegerechte Konstruktion von Produkten kann den Energieverbrauch eines Produkts, wie z. B. den Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs, reduzieren und damit dessen ökonomische und ökologische Eigenschaften verbessern (Ponn & Lindemann 2011). Zusätzlich zur Massenreduzierung kann eine verbesserte Massenverteilung die physische Belastung des Produktnutzers reduzieren, indem Kräfte und Momente, die durch die Masse auf den Nutzer ausgeübt werden, minimiert werden. Außerdem kann eine bessere Massenverteilung weitere dynamische Produkteigenschaften verbessern, z. B. höhere erreichbare Kurvengeschwindigkeiten eines Kraftfahrzeugs. Die Massen- und Trägheitsmomentreduzierung kann außerdem höhere Beschleunigungen ermöglichen (Ponn & Lindemann 2011). Zu einem ganzheitlichen leichtbau- und damit funktions- und massegerechten Konstruieren gehört folglich die Betrachtung der Masse, der Massenverteilung und des Trägheitsmoments.

No description available.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Überblick über aktuelle Entwicklungen beim Einsatz von Leichtmetallen im Leichtbau gegeben und dabei vor allem die Bedeutung der Werkstoffe Aluminium, Magnesium und Titan herausgestrichen. Dabei wird ersichtlich, welche Bedeutung Guss- und Knetlegierungen im Einzelnen zukommt und wie sich durch neue Erkenntnisse bei der Werkstoffbehandlung neue Strategien für Konstruktion und Fertigung ergeben. Eine sehr wesentliche Rolle für die optimale Nutzung der Werkstoffeigenschaften spielen die Fügeverfahren. Optimierte Werkstoffe mit neuen Eigenschaftsprofilen erfordern angepasste Fügeverfahren, um mit den Fügestellen keine Schwachpunkte in der Konstruktion zu schaffen. Nicht zuletzt soll die Arbeit durch die Zusammenfassung und Gegenüberstellung aktueller Forschungsergebnisse und des Standes von Forschung und Technik zu neuen Ideen im Sinne des Leichtbaus anregen.

Leichtbau beabsichtigt, die Funktion des Produkts bei gleichbleibendem Gewicht zu steigern (Wiedemann 2007). Leichtbaugerechtes Konstruieren verbessert die Funktionserfüllung bei konstantem Gewicht oder senkt das Gewicht bei gleicher Funktionserfüllung. Da auf Produkte neben der Erdbeschleunigung auch noch weitere Beschleunigungen und damit Kräfte wirken, ist nicht das Gewicht, sondern vielmehr die Masse neben der Funktion die entscheidende Eigenschaft, die im Leichtbau optimiert werden soll. Um folglich Produkte leichtbaugerecht zu konstruieren, müssen diese sowohl funktions- als auch massegerecht konstruiert werden. Die funktions- und massegerechte Konstruktion von Produkten kann den Energieverbrauch eines Produkts, wie z. B. den Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs, reduzieren und damit dessen ökonomische und ökologische Eigenschaften verbessern (Ponn & Lindemann 2011). Zusätzlich zur Massenreduzierung kann eine verbesserte Massenverteilung die physische Belastung des Produktnutzers reduzieren, indem Kräfte und Momente, die durch die Masse auf den Nutzer ausgeübt werden, minimiert werden. Außerdem kann eine bessere Massenverteilung weitere dynamische Produkteigenschaften verbessern, z. B. höhere erreichbare Kurvengeschwindigkeiten eines Kraftfahrzeugs. Die Massen- und Trägheitsmomentreduzierung kann außerdem höhere Beschleunigungen ermöglichen (Ponn & Lindemann 2011). Zu einem ganzheitlichen leichtbau- und damit funktions- und massegerechten Konstruieren gehört folglich die Betrachtung der Masse, der Massenverteilung und des Trägheitsmoments.

Bei der Gestaltung von Stahlwerkstoffen und Stahlerzeugnissen sind ökologische Auswirkungen über die Herstellung hinaus auch hinsichtlich ihrer Nutzung und ihrer Wiederverwertung zu berücksichtigen. Anforderungen ergeben sich aus rechtlichen und politischen Zwängen. Konkretisiert sind sie von der Automobilindustrie hinsichtlich des Recyclings und Leichtbaus. Ökobilanzen für Stahlerzeugnisse zeigten für Automobilprodukte bei der Werkstoffherstellung ein geringes und bei der Nutzung ein hohes Verbesserungspotential. Eine grundlegende Änderung der Praxis des Stahlrecyclings ist nicht erforderlich, die Zunahme an mikrolegierten Werkstoffen erfordert aber eine verbesserte Lenkung der Schrottströme. Maßnahmen zur Reduzierung der Masse von Stahlerzeugnissen für den Automobilbau sind nur sinnvoll in Verbindung mit gleichzeitigen Anpassungen der Antriebstechnik. Eine Verbesserung der Marktposition und Abgrenzung von Wettbewerbswerkstoffen kann erreicht, wenn diese Anstrengungen im Dialog mit der Automobilindustrie erfolgen.

Im Rahmen der vorgelegten Arbeit wurde das Niederdruck-Hohlteilgießverfahen untersucht. Dieses Verfahren beruht auf dem Niederdruckgießverfahren, jedoch wird die Druckbeaufschlagung auf das System vor dem kompletten Erstarren des Gussstückes beendet, wodurch nicht erstarrtes Material aus der Form fließen kann und ein hohles Gussstück ohne Einsatz von Kernen entsteht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Probekörper aus verschiedenen Al-Legierungen in Sand- und Metallformen hergestellt und ausgewertet, wobei die Einflussfaktoren Druckhaltezeit und Temperaturgradient zwischen Schmelze und Form variiert wurden. Anschließend erfolgte eine Auswertung der Probekörper hinsichtlich Ausbildung der Wanddicke und deren Rauhigkeit. Dabei wurden Abhängigkeiten zwischen Haltezeit und Wanddicke gefunden. Die Rauhigkeit des ausgebildeten Hohlraumes ist dabei legierungsabhängig und unterscheidet sich zwischen Sand- und Kokillenguss stark.

Im Rahmen von FuE-Kooperationen arbeitet die TU Chemnitz, Professur für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung zusammen mit der AMB berlungwitz GmbH aktuell an der Entwicklung von langfaserverstärkten Kunststoffseilrollen für Aufzugsanlagen, welche die in diesem Bereich vorhandenen Leichtbauanforderungen erfüllen. Dabei wird die gesamte Entwicklungskette von der Bauteilkonstruktion und -berechnung über die Prozesskettengestaltung und Prozessparameterfindung bis hin zur Prüfung und Validierung von Probekörpem ausgeführt. Der grundsätzliche Technologieansatz zur Fertigung der Seilrollen-Rohteile ist das Fließpressen von glasmattenverstärkten Thermoplasten (GMT). Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Berechnung und Auslegung der Bauteile.

In dieser Arbeit werden die Grundlagen für einen neuartigen robotergestützten Fertigungsprozess erarbeitet, bei dem duroplastisch vorimprägnierte, glasfaserverstärkte Faserverbundhalbzeuge lokal auf metallische Bauteile gepresst und ausgehärtet werden, um mit geringem Materialeinsatz deren Eigenschaftsniveau wesentlich zu steigern. Diese Technologie ist nach aktuellem Stand einzigartig und ermöglicht erstmals das voll-automatisierte Fertigen von Metall-Faserverbund-Hybridstrukturen im automobilen Großserienmaßstab. Diese Arbeit verfolgt auf Grund der hohen Komplexität der Aufgabenstellung einen durchgängigen Ansatz von der Materialauswahl und Prozessbeschreibung über die Struktur- und Prozesssimulation bis zur Bewertung der Eigenschaften am komplexen Bauteil. Als Randbedingung ist in Anlehnung an eine bestehende Karosseriefertigung eine Taktzeit unter 60 s festgelegt. Weiterhin muss aufgrund der begrenzten Presskraft der Industrieroboter und der vorgesehenen Applikationsfläche der notwendige Pressdruck gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduziert werden. Durch die ganzheitliche Betrachtungsweise der Problemstellung von der Materialauswahl und dessen Fertigungsparametern über die simulative Betrachtung des Herstellungsprozesses und den strukturellen Material- und Bauteileigenschaften hin zur Bewertung wesentlicher Einflussfaktoren wie Temperatur und Korrosionsbeständigkeit auf die mechanischen Eigenschaften, werden grundlegende Fragestellungen hinsichtlich der Machbarkeit dieser neuartigen robotergestützten Technologie beantwortet. Weiterhin wird durch die industrielle Umsetzung des Fertigungsprozesses im Rahmen einer vollautomatisierten robotergestützten Applikationszelle ein wesentlicher Schritt in Richtung Großserienfähigkeit von Faserverbundstrukturen bewältigt.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1.2 Anforderung an Material und Prozess 1.3 Vorgehensweise und Methodik 2 Grundlagen 2.1 Faserverbundwerkstoffe im Automobil 2.2 Metall-Faserverbund-Hybridbauweisen: Stand der Technik 2.3 Verwendete Werkstoffe und Halbzeuge 2.4 Literaturüberblick 3 Materialspezifikation und Herstellungsprozess 3.1 Probekörper, Fertigungsvorrichtungen und Prüfmethoden 3.2 Bewertung ausgewählter Prepregs und Auswahl einer Vorzugsvariante 3.3 Ermittlung von Fertigungsparametern zur Erzeugung einer ausreichenden Laminatqualität 3.4 Haftfestigkeit hybrider Verbunde in Abhängigkeit der Fertigungsparameter 3.5 Bewertung des Einflusses eines zusätzlichen Klebstoffs 3.6 Potenzialbewertung von Metall-Faserverbund-Hybridbauteilen 3.7 Bewertung der Lagenanzahl der Faserverbundverstärkung 4 Modellbildung und Struktursimulation 4.1 Strukturanalyse des Faserverbundmaterials 4.2 Strukturanalyse der Grenzschicht zwischen Metall und Faserverbund 4.3 Strukturanalyse des Hutprofils im 3-Punkt-Biegeversuch 5 Modellbildung und Prozesssimulation 5.1 Mathematische Beschreibung der Reaktivität der Matrix 5.2 Thermo-chemische Kopplung der Materialkennwerte 5.3 Thermo-chemo-mechanische Kopplung der Materialkennwerte 5.4 Simulation des Herstellungsprozesses der Faserverbundplatte 5.5 Simulation des Herstellungsprozesses des Metall-Kunststoff-Hybrid-Streifenprobekörpers 5.6 Sensitivitätsanalyse der Materialkennwerte 5.7 Simulation des Herstellungsprozesses des hybriden Hutprofils 6 Ergänzende Bewertung automobilspezifischer Einflüsse 6.1 Prüftemperatur 6.2 Belastungsgeschwindigkeit 6.3 Klimawechsel und Korrosion 7 Robotergestützter Applikationsprozess 7.1 Konzeptionierung, Aufbau und Inbetriebnahme des Fertigungsprozesses 7.2 Prüfung der hybriden Hutprofile, hergestellt im robotergestützten Applikationsprozess 7.3 Ermittlung der Zykluszeit und Abschätzung für den Serienprozess 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Grundlagen B Materialspezifikation und Herstellungsprozess C Modellbildung und Struktursimulation D Prozessmodellierung und Simulation E Bewertung automobilrelevanter Einflüsse

Sheet Molding Compounds (SMC) present a promising alternative for sheet metal in automotive exterior body panel applications. They offer excellent specific mechanical properties, improved design freedom and a cost-efficient manufacturing process. However, the paintability of SMCs is challenging and this issue has kept the material from a more widespread application, in spite all inherent advantages. This work investigates the underlying reasons of paint defect occurrence and proposes novel solutions to improve upon state-of-the-art technology. Through the modification of conventional SMC an improved surface compound is proposed. This can be combined with a novel manufacturing process, denoted Co-Compression-Molding, which enables the molding of two individual compounds in a single step. The work offers insight into appropriate molding parameter selection to ensure a flawless compression molding process. Additional processing steps are proposed to further improve manufacturing, such as thermography for the early detection of sub-surface voids, and post-processing via electron beam curing.:1 Introduction 1.1 Motivation and Objectives 1.2 Solution Approach 2 State of the Art 2.1 Automotive Production 2.1.1 Paint Processes 2.1.2 Quality Assessment Techniques 2.2 Sheet Molding Compounds 2.2.1 Manufacturing and Composition 2.2.2 Mechanical Properties 2.2.3 Conventional Methods of Surface Improvement 2.2.4 Recycling Methods 2.3 Compression Molding 2.3.1 Mold Flow of Sheet Molding Compounds 2.3.2 Compound Rheology 2.3.3 Inherent Porosity 2.3.4 Co-Molding Process 2.3.5 Alternative Approaches and Auxiliary Processes 3 Reduced Fiber Weight Fraction Compounds 3.1 Porosity as the Source of Defects 3.2 Compounding and Compression Molding 3.3 Compound Characterization 3.3.1 Fiber Network Permeability 3.3.2 Rheology and Flowability 3.3.3 Physical Properties 3.3.4 Pore Content and Porosity Elimination 3.4 Effect on Paintability 4 Co-Compression Molding 4.1 Hybrid Material Flow 4.2 Materials 4.3 Molding Trials and Testing 4.3.1 Flat Plaque Testing 5 Auxiliary Processes 5.1 Thermography 5.1.1 Materials 5.1.2 Experiments 5.2 Electron Beam Curing 5.2.1 Residual Reactivity 5.2.2 Irradiation and Post-Curing 6 Full-Scale Trials 6.1 Class-A Panel 6.2 Semi-Structural Component 6.3 Technology Demonstrator 6.3.1 Cost Comparison 6.4 Application Guidance 6.4.1 Reduced Fiber Fraction Compounds 6.4.2 Co-Compression Molding 6.4.3 Application of Auxiliary Processes 7 Summary Bibliography Appendix A Evolution of Vehicle Curb Weight B Porosity Structure of Normal Density Compound C Surface Veil Distortion During Compression Molding

Werkstoff- und Prozessgrenzen beschränken unter Beachtung ökonomischer und ökologischer Aspekte den Leichtbau gegossener Fahrwerk-Komponenten aus Al-Si-Legierungen. Zunächst werden Bauteilgewicht und Wärmebehandlungsprozess als beeinflussbare Hauptbeitragsleister für Emissionen im Herstellprozess identifiziert. Zu deren Verringerung werden abhängig von der Belastungsart mögliche Mindestwandstärken abgeleitet, die für den Kokillenguss um 35 % reduziert werden. Dies gelingt durch Einsatz neuartiger, das Formfüllverhalten verbessernder Oberflächenstrukturierungen von Gießwerkzeugen bei Einhaltung von Konstruktionsregeln. Die Gesamtprozesszeit der Wärmebehandlung kann bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften um 40 % verkürzt werden. Dabei erfolgt die Charakterisierung des Werkstoff- und Bauteilverhaltens unter dynamischer Belastung bei Parametervariation, da keine Korrelation zu den statischen mechanischen Kennwerten vorliegt.