Herstellung von thermoplastischen Faserverbund-Metall-Hybriden durch Press- und Schweißprozesse (Bachelorarbeit)

Kurzfassung

Im Zuge der Ressourcenknappheit und des Klimawandels gilt es, die Luft- und Raumfahrt möglichst effizient zu gestalten. Die Leichtbauweise als Konstruktionsphilosophie ist ein wichtiges Mittel zur Reduktion von Kohlenstoffdioxid-Emissionen. Leichtmetalle wie Titan oder Aluminium sowie Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sind daher in der Luft- und Raumfahrtindustrie von großer Bedeutung. Auf Grund des hohen Recycling-Potentials und der kürzeren Verarbeitungsprozesse im Vergleich zu duromeren Matrixsystemen geraten thermoplastische Matrixsysteme zunehmend in den Fokus. Damit Baugruppen im Multi-Material-Design gefertigt werden können, benötigt es Fügeprozesse, mit deren Hilfe hybride Strukturen aus Faserverbundkunststoffen und Metallen hergestellt werden können. Daher werden in der vorliegenden Bachelorarbeit Press- und Schweißprozesse zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbund-Metall-Hybriden untersucht. Dafür werden zunächst relevante Literaturinhalte dargestellt und anschließend Hybridstrukturen aus Aluminium EN AW 2024 und kohlenstofffaserverstärktem Polyphenylensulfid experimentell mittels Co-Konsolidierung, elektrischem Widerstandsschweißen und Ultraschallschweißen hergestellt. Zur Beurteilung der Anbindung werden Zugscherversuche durchgeführt und die Bruchflächen analysiert. Die Ergebnisse der mechanischen Prüfung werden durch mikroskopische Untersuchungen der Bruchflächen und Probenquerschnittsflächen unterstützt. Co-Konsolidierte Hybridstrukturen weisen die höchsten Zugscherfestigkeit auf und stellen somit den Referenzprozess für die Schweißprozesse dar. Mikroskopische Untersuchungen und die Bruchflächenanalysen zeigen, dass der kritische Anbindungsmechanismus das Aufschmelzen und Eindringen der Polymermatrix in eine vor dem Fügeprozess eingearbeitete Oberflächenstrukturierung des Aluminiums ist. Die Polymerschmelze erstarrt in der Oberflächenstruktur und bildet somit in Form einer mechanischen Verriegelung den Anbindungsmechanismus. Da ein Schwerpunkt ebenfalls die industrienahe Anwendung darstellen soll, werden die Fügeprozesse ggf. hinsichtlich der Herstellbarkeit größerer Fügeflächen mit einer Dimensionierung von 200 mm x 20 mm betrachtet.