Beitrag zum Umformverhalten von PA6/CF Gelegelaminaten im nicht-isothermen Stempelumformprozess

Kontinuierlich faserverstärkte Kunststoffe spielen aufgrund ihrer hohen gewichtsspezifischen, mechanischen Eigenschaften eine bedeutsame Rolle im Kontext aktueller Leichtbaubestrebungen zur Energie-, Ressourcen-, und Umweltschonung. Vor dem Hintergrund einer automobilen Großserienproduktion bietet die Verwendung von unidirektional faserverstärkten Thermoplast-Tapes (UD-Tapes) dabei ein herausragendes Potential für maßgeschneiderte, strukturelle Leichtbauanwendungen. Mithilfe der sequentiellen Tape-Prozesskette, bei der zweidimensionales Tapelegen, flächige Konsolidierung und Umformung in getaktete Teilprozessschritte untergliedert ist, lassen sich die geforderten Taktzeiten im Bereich von einer Minute realisieren. ... mehrMaßgeblich verantwortlich für die Herbeiführung der Bauteilgestalt ist hierbei der Umformprozess, bei dem ein vorkonsolidierter Mehrschichtverbund, ein sogenanntes Gelegelaminat, nicht-isotherm tiefgezogen wird. Zur Überführung dieser material-basierten Technologie in Serienanwendungen ist jedoch weiterführendes Verständnis des Umformverhaltens auf Bauteilebene und dem Einfluss der Prozessbedingungen unumgänglich. Das Zusammenwirken aus anisotroper Halbzeugmorphologie, aufgebaut aus orthotropen Einzelschichten mit den visko-elastischen Eigenschaften der thermoplastischen Matrix sowie den Herausforderungen bei der Handhabung und Prozessführung des biegeschlaffen Halbzeugs führt zu einer komplexen Material-Prozess-Merkmal Beziehung. In der vorliegenden Arbeit wird daher mithilfe von experimentellen und simulativen Studien das Umformverhalten auf Bauteilebene analysiert. Hierzu wird zunächst das Werkstoffverhalten auf Couponebene vollumfänglich untersucht sowie ein automatisierter Umformprozess entwickelt und charakterisiert. Anschließend werden Studien zum Einfluss vom Lagenaufbau, der Materialeigenschaften und der Prozessführung durchgeführt und anhand des auftretenden out-of-plane Faltenwurfs an einer Schikanegeometrie quantitativ evaluiert. Die Intensität des auftretenden Faltenwurfs wird mit der Halbzeugmorphologie, der vorliegenden Mechanismen und der Prozessführung vor dem Hintergrund des Materialverhaltens korreliert. Auf Basis der erzielten Ergebnisse wird ein tiefes Verständnis des Umformverhaltens von PA6/CF Gelegelaminaten im nicht-isothermen Stempelumformprozess geschaffen. Es lassen sich Empfehlungen zur Optimierung des Lagenaufbaus, Materials und Prozesses ableiten. Ebenso untermauern die Ergebnisse welche Effekte in der Simulation zu berücksichtigen sind, um das Umformverhalten zukünftig präzise abbilden zu können.

Due to their high weight-specific mechanical properties, continuous fiber-reinforced plastics play an important role in the context of current lightweight design efforts for energy, resource and environmental protection. Against the background of large-scale automotive production, the use of unidirectional fiber-reinforced thermoplastic tapes (UD tapes) offers an outstanding potential for tailor-made, structural lightweight applications. With the help of the sequential tape process chain, where two-dimensional tape laying, consolidation and stampforming are subdivided into synchronized process steps, the required cycle times in the range of one minute can be realized. ... mehrHere the forming process is significantly responsible for the achievement of the component shape, in which a preconsolidated multi-layer composite, a so-called “tape layup”, is non-isothermally deep-drawn. In order to translate this material-based technology into mass production applications, further understanding of the forming behavior at the component level and the influence of the process conditions is inevitable. The mechanistic interaction of anisotropic semi-finished morphology, composed of orthotropic single layers with the visco-elastic properties of a thermoplastic matrix, as well as the challenges in handling and process control of the flexible semi-finished product lead to a complex material-process-property interaction. In the present work, therefore, the forming behavior at the component level is analyzed by means of experimental and simulative studies. For this purpose, firstly the material behavior is investigated on coupon level and secondly an automated forming process is developed and characterized. Subsequently, studies on the influence of the layer structure, the forming mechanisms and the process parameters are carried out and quantitatively evaluated on the basis of the occurring out-of-plane wrinkling using a complex draping geometry. The intensity of the wrinkles occurring is correlated with the layup-morphology, the mechanisms and the process conditions against the background of the material behavior. Based on the obtained results a deep understanding of the forming behavior of PA6/CF laminates in the non-isothermal stampforming process is created. Recommendations for the layer structure-, material- and process-optimization can be derived. Likewise, the results substantiate which effects must be taken into account in the simulation so that the forming behavior can be precisely predicted.