Mit der Entwicklung und erfolgreichen Qualifizierung eines Demonstratorbauteils, einer Lenkerfeder für schwere Nutzfahrzeuge, konnte die grundsätzliche Einsatzmöglichkeit von preiswerten thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen auch für hoch belastete Strukturbauteile in der Fahrzeugtechnik nachgewiesen werden. Am Anfang der Arbeit stand die systematische Auswahl und Qualifizierung von möglichen Matrixwerkstoffen. Als wichtigstes Kriterium wurde die Steifigkeit des Thermoplasten definiert. Sie bestimmt maßgeblich die Längs-Druckfestigkeit. Eine hohe Oberflächenenergie des Polymers ergibt eine gute Faser-Matrix-Haftung und führt zu einer hohen Quer-Längs-Schubfestigkeit - eine weitere wichtige Forderung an den Matrixwerkstoff. Es wurden Additive untersucht, welche die Faser-Matrix-Haftung steigern und so die Quer-Längs-Schubfestigkeiten nahezu verdoppeln. In Zusammenarbeit mit einem Polymerhersteller konnten die Verbundeigenschaften durch gezielte Modifikationen des Matrixpolymers bezüglich Verarbeitungsverhalten und mechanischer Eigenschaften wesentlich verbessert werden. Die erhöhte Kriechneigung von undirektionalen Biegeträgem mit thermoplastischer Matrix wurde experimentell untersucht. Durch einen modifizierten Laminataufbau konnte die Kriechdeformation nachfolgend deutlich reduziert werden. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Realisierung des Demonstratorbauteils. Eine Pultrusionsanlage ermöglicht es, Verbundwerkstoff für die Fertigung von bis zu 10.000 Lenkerfedern jährlich zu produzieren. Für die Achsklemmung der thermoplastischen FKV-Struktur wurde eine allseitig geschlossene Krafteinleitung entworfen und erprobt. Mit ihr lässt sich ein hydrostatischer Spannungszustand im Klemmbereich realisieren. Eine Steigerung der übertragbaren Quer-Längs-Schubspannungen, aus Vertikal- und Seitenlasten, ist die Folge. Mithilfe eines Langzeit-Prüfstands wurde die Kriechverformungen der unterschiedlichen Werkstoffe und Laminataufbauten - realitätsnah im Biegeversuch - erfasst und dem GF-EP-Verbundwerkstoff gegenübergestellt. Es zeigte sich, dass der AWV-Laminataufbau im Lenkerschaft zu deutlich geringeren Kriechverformungen führt als die unidirektionale Variante. Ein neuartiges Fertigungkonzept für FKV mit Thermoplastmatrix erlaubt die wirtschaftliche Herstellung auch von dickwandigen Bauteilen mit geringen Zykluszeiten. Durch den Aufbau aus mehreren dünnwandigen Blättern, die in einem nachfolgenden Arbeitsgang gefügt werden, ist es möglich, kurze Presszyklen zu erreichen. Zum Fügen der Lenkerblätter wurden Klebe- und Schweißverfahren untersucht, und es konnte die Betriebsfestigkeit der Fügung experimentell nachgewiesen werden. Eine FE-Analyse des Laminataufbaus zeigt, dass die Integration des Federauges in die FKV-Struktur möglich ist. Dies konnte bei den gefertigten Prototypen - ebenso wie der AWV-Schaft umgesetzt werden.
Untersuchung der Einsatzmöglichkeit von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen für hoch belastete Strukturbauteile in der Fahrzeugtechnik
2008
150 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Hochschulschrift
Deutsch