Untersuchungen zum diodenlaserbasierten in-situ Tapelegen als Produktionstechnologie für einen großserienfähigen hybriden Leichtbau

• Investigation of a diode Laser-Based In-Situ tape placement process as enabling production technology for Large-Scale hybrid lightweight design

Peters, Tido Malte; Brecher, Christian (Thesis advisor); Hopmann, Christian (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus (2020, 2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 28/2020
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (XV, 182 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Die gesetzlichen Forderungen zur Reduzierung der flottenweiten Emissionswerte zwingt die Automobilindustrie dazu, Entwicklungen zur Erreichung dieser ökologischen Zielgrößen voranzutreiben. Als Schlüsseltechnologie zur Emissionssenkung während der Nutzungsphase rückt der Leichtbau in den Fokus der Automobilhersteller. Die Verringerung der Fahrzeugmasse führt zu geringeren Fahrwiderständen und resultiert in der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs respektive in der Verlängerung der Reichweite elektrifizierter Fahrzeuge. Letzteres erhöht die Marktdurchdringung der Elektrofahrzeuge und senkt den Flottenausstoß. Die Materialgruppe der thermoplastischen Faserverbundkunststoffe bietet das Potenzial, sowohl die Anforderungen des strukturellen Leichtbaus als auch die kurzen Taktzeiten der automobilen Großserienproduktion zu erfüllen. Demgegenüber stehen die hohen Materialkosten. Um die Balance zwischen Leichtbau- und Kostenoptimum innerhalb eines Strukturbauteils zu ermöglichen, ist die Kombination von Metallen und thermoplastischen Faserverbundkunststoffen zu hybriden Strukturen von Bedeutung für den Automobilbau. Die Entwicklung innovativer Fertigungsverfahren, um die zwei verschiedenen Werkstoffsysteme effizient und konturgenau zu verbinden, spielt daher eine zentrale Rolle. In dieser Arbeit wird daher die Weiterentwicklung des Fertigungsverfahrens des diodenlaserbasierten Tapelegens, um faserverstärkte Thermoplast-Tapes lokal auf laserstrukturierte Metallbauteile zu fügen, untersucht. Das Ergebnis ist sowohl ein neuartiges Fertigungssystem als auch der erbrachte Nachweis, dass durch die Verfahrensentwicklung hybride Strukturen mit höherer Konturgenauigkeit und besseren gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften bei großserienfähigen Prozessgeschwindigkeiten hergestellt werden können. Im Rahmen der Arbeit wird zunächst ein Modell, das die in-situ Konsolidierung von thermoplastischen Tapes auf laserstrukturierte Oberflächen von Metall beschreibt, wissenschaftlich erarbeitet. Zur Modellvalidierung werden in prozesstechnologischen Versuchsreihen die Einflüsse der Prozessparameter auf die Ausgangsgröße der Verbindungsqualität untersucht. Der Einfluss einer Matrixanreicherung zur Verbesserung dieser Verbindung wird diskutiert. Des Weiteren wird ein Tapelegesystem mit einer ergänzenden Laserquelle entwickelt, durch dessen Einsatz wirtschaftliche Prozessgeschwindigkeiten ermöglicht werden. Schließlich wird der Nachweis erbracht, dass die entwickelte Technologie sowohl den mechanischen Eigenschaften hybrider Strukturen als auch einem verringerten thermischen Bauteilverzug zuträglich ist. Die Validierung erfolgt anhand eines hybriden Karosseriebauteils.