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Institut für Werkzeugmaschinen

und Fertigungstechnik

Integrierte Fertigungsprozessketten für funktionalen

Hybrid-Leichtbau in der automobilen Großserie

Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder | DLR Wissenschaftstag | Braunschweig, 02.10.2014


und Fertigungstechnik 2. Oktober 2014 | Folie 2

Integrierte Fertigungsprozessketten für funktionalen Hybrid-

Leichtbau in der automobilen Großserie

Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder | Integrierte Fertigungsprozessketten für funktionalen Hybrid-Leichtbau

Funktionalisierter Leichtbau 1

Prozessketten für hybride Bauteile 2

Technologische Herausforderungen 3

Ausblick 4









Ausblick 4



Anforderungen an Produkte und Prozesse


Großseriengeeignete

Prozesse

Steigende

Produktvielfalt

CO2-Reduzierung /

Neue Antriebskonzepte

Energieeffiziente

Produktion

Flexible Fertigung und

Montage

Leichtbau

Pro

du

kt

Fert

igu

ng



Strategien zur Gewichtsreduzierung im Karosseriebau


Stahlkonzepte

Source: Audi AG

Multi-Material-Design

(Stahl / Leichtmetall /

Kunststoff)

Hybridisierung / Funktionalisierung

bisher Trend

? zukünftig

Gewicht

Fügeaufwand

Fertigungskomplexität

Source: Volkswagen AG



Kombination von Stoffeigenschaften für funktionalisierte

Strukturen


Metall Kunststoff Fasern / Textilien

geometrisch

strukturell

Funktionen

thermisch

akustisch

elektrisch

Kombination von Werkstoffen in einer Struktur

bietet funktionellste (leichteste) Lösung









Ausblick 4



Fertigungsprozesskette für vorkonfektionierte Preforms


Faser

Kunststoff

Metall

Textil

Metall-

Halbzeug

Faser-

verstärkter

Kunststoff

...

Spritz-

guss

Roll-

profilieren

Umformen

Pultru-

sion

Nieder-

druck-

guss Hybrides

Bauteil

Wertschöpfung

1 2 3 4 5 Prozess-Schritt

Vorkonfek-

tionierter

Preformling

Vorkonfektionierung Bauteilherstellung



Multifunktionelle Greifertechnologie für formvariable

Halbzeuge

Umformen, „Einfrieren“ der

Form, Fixierung

Ablage im

Formwerkzeug

Greifen des Textils

p

Textil

Integrierte Beheizung Binder-Aktivierung

formvariables

Granulat

„FormHand“-Konzept




Fertigungsprozesskette für intrinsische Hybridverbunde


Faser

Kunststoff

Metall

Textil

Metall-

Halbzeug

Faser-

verstärkter

Kunststoff

...

Spritz-

guss

Roll-

profilieren

Umformen

Pultru-

sion

Nieder-

druck-

guss Hybrides

Bauteil

Wertschöpfung


Vorkonfek-

tionierter

Preformling




Exemplarische Fertigungsprozesskette (ProVorPlus)


Materialbereit-

stellung/-

zuführung

Formgebung/

Konsolidierung

(Pressen/Spritzguss)


Lagenaufbau durch

Handhaben +

Fixieren

Erwärmen Hybrider

Vorformling

Hybrides

Bauteil









Ausblick 4



Zentrale technologische Herausforderungen


Grenzflächengestaltung

Delta-Alpha-Effekte

Integration biegeschlaffer Einleger

Spanende Bearbeitung

…



Exemplarisch: Grenzflächenarchitekturen und -vorbehandlung

Reinigung

Aktivierung

Haftvermittlung

chemisch

directindustry

mech. Vorbehandeln

(z.B. Sandstrahlen)

definiertes Strukturieren

mechanisch

definiertes Strukturieren

mittels Laser

termisch

Gre

nzflä

ch

en

ge

sta

ltu

ng


Substrat

Inte

gra

tion

bie

ge

sch

laffe

r E

inle

ge

r

De

lta-A

lph

a-E

ffe

kte

Sp

an

en

de

Be

arb

eitu

ng




Abbildung: Abaqus Strukturerzeugung | Dröder et al., 2014 Abbildung: Zugversuch in Anlehnung an DIN 1465 | Dröder et al., 2014

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Z

ug

kra

ft

Traversenweg

[kN]

[mm]

Strukturanzahl: 16

geringer Ausprägung

ohne Strukturen

PA 6 - AlCuMg1(Heißpressen)

Exemplarisch: Mechanische Klammerstrukturen

Steigerung der mechanischen Haft-

zugfestigkeit bzw. der Strukturintegrität

hybrider Bauteile

mechanische Verklammerung

(Formschluss) zwischen Metall und

Kunststoff

Kombination mit chemischer

Vorbehandlung möglich

Vorteile



Exemplarisch: Defininierte Beeinflussung der Fließrichtung in

Umformprozessen

Gre

nzflä

ch

en

gesta

ltu

ng


Inte

gra

tion b

iegeschla

ffer

Ein

leger

Delta

-Alp

ha-E

ffekte

Sp

an

en

de B

ea

rbe

itu

ng

Freie Kinematik

Entformtes Hybridbauteil

Lineare Kinematik

Entformtes Hybridbauteil

Lufteinschlüsse

Verschobene

Fasertapes

Quelle: IWF









Ausblick 4



Integrierte Fertigungsprozesskette für Großserienbauteile


Faser

Kunststoff

Metall

Textil

Metall-

Halbzeug

Faser-

verstärkter

Kunststoff

...

Spritz-

guss

Roll-

profilieren

Umformen

Pultru-

sion

Nieder-

druck-

guss Hybrides

Bauteil

Wertschöpfung


Vorkonfek-

tionierter

Preformling




Fügen Umformen Urformen

Integrierte Fertigungsprozesskette für Großserienbauteile

...

Nieder-

druck-

guss

Pultru-

sion

Hybride

Struktur

Bleche / Profile Metall-/Organoblech-Einleger Funktionselemente

Schäumen

Beschichten Stoffeigenschaften

ändern

Fertigungs-

technologien

Sekundär-

elemente

Umformen Spritz-

guss

Spritz-

guss Umformen

Trennen Urformen Fügen Umformen

Funktionalisierte Hybrid-Strukturen

(z.B. Batteriegehäuse)

Quelle: Volkswagen

Hybrider

Prozess Integrierter

Prozess




Zusammenfassung: Wirtschaftlicher Leichtbau in der

Großserie


Funktionalisierung trägt zum Leichtbau bei

Lösungen auf Systemebene statt Bauteilebene

Integrierte Hybridstrukturen ermöglichen Funktionalisierung

Strukturintegrität des Metall-Kunststoff-Verbunds ist entscheidend

Fertigungstechnologien werden zu integrierten Prozessen kombiniert

Notwendigkeit für neue Fertigungs- und Automatisierungsstrategien

Hybride Bauteile können wirtschaftlich hergestellt werden ...

... wenn Potenziale in der gesamten Prozesskette gehoben werden



Open Hybrid LabFactory


Integrierte Fertigungs-

prozesse

Herstellung automobil-

gerechter Fasern

Public Private Partnership

Förderdauer: 15 Jahre

Investitionen: ca. 60 Mio. €

Projektvolumina: > 60 Mio. €

Konstruktion und

Simulation

Open Hybrid LabFactory e.V.

http://www.siempelkamp.com/uploads/pics/SK_LOG_NF_RGB_01.jpg


und Fertigungstechnik

Integrierte Fertigungsprozessketten für funktionalen

Hybrid-Leichtbau in der automobilen Großserie

Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder | DLR Wissenschaftstag, 02.10.2014

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