Belastbare Inserts im CFK-Leichtbau

Insbesondere in der Automobil-, Luftfahrt- und Sportindustrie werden verstärkt metallische Baugruppen durch Faserverbundwerkstoffe ersetzt, um eine Effizienzsteigerung durch Gewichtsreduktion zu erzielen. Ein bevorzugter Werkstoff ist hier Karbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK), insbesondere in der Sandwichbauweise mit Schaumkern und CFK-Deckschichten. In der Folge steigt der Bedarf nach neuen belastungsfähigen Verbindungen für Metall- und CFK-Bauteile.

Stand der Technik

Gängige Fügeverfahren, wie Schweißen oder Nieten, sind nur bedingt anwendbar und leiten die einwirkenden Kräfte nicht sicher ein, sodass mit einem Bauteilversagen zu rechnen ist. Als Umgehungsansatz werden metallische Kraftlasteinleitungselemente verwendet, bekannt als Inserts, die die Kräfte großflächig in den Kern und die Deckschichten der CFK-Bauteile einleiten. Nachteilig ist hierbei jedoch die zeit- und kostenintensive Herstellung, da die Inserts nachträglich in das vorgefertigte CFK-Sandwichbauteil eingefügt werden.

Technologie

Wissenschaftler des wbk Instituts für Produktionstechnik am KIT haben hochbelastbare Inserts entwickelt, die bereits während der Fertigung der CFK-Sandwichstrukturen im Liquid Composite Molding (LCM) eingebracht werden. Bei der Gestaltung des Schaumkerns wird die Form der Kernverstärkung durch einen bewusst gewählten Hohlraum, in dem später beispielsweise eine Gewindeschraube positioniert wird, berücksichtigt. Dieser Hohlraum wird beim Einspritzen der flüssigen Matrix, z.B. Epoxidharz, aufgefüllt, wodurch der Schraubenschaft in der Matrix verankert wird. Nach dem Aushärten wird somit eine lokale Verstärkung erreicht. Zusätzliche, spezielle Kunststoffdorne dichten die Inserts ab und unterstützen den Montageprozess: Sie schützen das Schraubengewinde etwa vor Verunreinigungen oder Schäden beim Positionieren.

Vorteile

Die neuartigen Inserts aus Harz sind günstiger und leichter als Metallverstärkungen. Zudem sind die Inserts belastbarer, da die Karbonfasern der Deckschichten im Fertigungsprozess unbeschadet bleiben. Aufgrund der Prozessintegration erübrigen sich nachträgliche Fügeschritte.

Optionen für Unternehmen

Das neue Verfahren ist großserientauglich. Zur industriellen Umsetzung sucht das KIT Unternehmen zur industriellen Nutzung.