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Faser-Kunststoff-Verbund So werden FKV-Bauteile richtig verbunden

Autor / Redakteur: Florian Lenz und Karsten Wippler* / Juliana Pfeiffer

Wie werden hochbelastbare Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile verbunden? Ingenierue der LZS GmbH haben hierfür die formschlüssige Profilverbindung gewählt. Eine Alternative zu Klebe- und Pressverbindung?

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Sowohl die innere Kontur als auch die die äußere kreiszylindrische Schicht beinhalten eine kontinuierliche Faserverstärkung, die zur Torsionslastübertragung weitgehend in ±45° ausgerichtet ist.
Sowohl die innere Kontur als auch die die äußere kreiszylindrische Schicht beinhalten eine kontinuierliche Faserverstärkung, die zur Torsionslastübertragung weitgehend in ±45° ausgerichtet ist.
(Bild: LZS GmbH)

Um die geeignete Verbindungsart für einen Faser-Kunststoff-Verbund zu wählen, sind vielfältige Aspekte zu beachten. Die Bauteilanforderungen zum Beispiel, wie Höhe der Belastung, Belastungsprofil, Stückzahlen oder Temperatur- und Medieneinfluss. Neben der im Fertigungsbetrieb vorhandenen Technologiebasis sind dies insbesondere die mechanische Leistungsfähigkeit und der Fertigungsausfwand im Bezug zur geforderten Stückzahl.

Für die Profilverbindung muss die Faserverbundkomponente eine Formschlussgeometrie („Zähne“) aufweisen. Für die Klebverbindung und den Längspressverband können hingegen zylindrische Composite-Rohre eingestezt werden. Dies vereinfacht die Faserverbundfertigung. Bereits kleine und mittlere Stückzahlen (<1000 Stk/a) können somit wirtschaftlich hergestellt werden. Die Vorbereitung der üblicherweise metallischen Lasteinleitungselemente erfordert bei allen drei diskutierten Fügeverfahren einen spezifischen Vorbereitungsaufwand.

Vorbereitungsaufwand bei Klebeverbindungen

Bei der Klebeverbindung müssen hohe Anforderungen an die Oberflächenreinigung und -aktivierung sowie an die Klebstofflagerung und den Klebstoffauftrag erfüllt sein. Dies birgt Qualitätsrisiken und mündet in einen hohen Gesamtaufwand, der mit steigender Stückzahl kaum sinkt. Deshalb wird diese Verbindung am Leichtbau Zentrum Sachsen (LZS) eher für geringe Stückzahlen (<100 Stk/a) oder einzelne Prototypen betrachtet.

Mikro-Formschluss beim Längspressverband

Der Längspressverband ist im Vergleich zur Klebverbindung meist deutlich robuster, da durch die Rändelung der Lasteinleitungselemente ein Mikro-Formschluss erreicht wird, was sich auf der Bauteilebene letztlich als erhöhter Reibungskoeffizient zeigt. Wegen des ausgeglichenen Anforderungsprofils ist diese Verbindungsart für ein breites Stückzahlspektrum, von Prototypen bis hin zu großen Stückzahlen (>10000 Stk/a) einsetzbar.

Fasergeflecht mit Rißstopper-Wirkung

Bei der Profilverbindung kann die fügetechnische Robustheit nochmals gesteigert werden. Die Ingenieure der LZS GmbH haben eine Profilverbindung für torsionsbelastete Bauteile entwickelt. Diese beinhalten sowohl die innere Kontur („Profilschale“) als auch die äußere kreiszylindrische Schicht („Zylinderschale“) eine kontinuierliche Faserverstärkung, die zur Torsionslastübertragung weitgehend in ±45° ausgerichtet ist.

Die Schwankungen in der Querschnittsdicke werden mit primär längs der Profilachse orientiertem Faser-Kunststoff-Verbund „aufgefüllt“ („UD-Leisten“). Diese sind insbesondere für die Biegesteifigkeit des Profils verantwortlich und nehmen zudem Lasten in Längsrichtung auf.

Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass in der Profilschale eine textile Bindung der Verstärkungsfasern, zum Beispiel Fasergeflecht, Vorteile aufweist. Dies erklärt sich mit der „Rißstopper“-Wirkung der textilen Kreuzungspunkte, durch die ein „gutmütiges“ Verhalten des FKV insbesondere im Lasteinleitungsbereich erzielt wird. In der für die Lastfernübertagung verantwortlichen Zylinderschale sind hingegen kreuzungspunktfrei abgelegte („spiralisierte“) Verstärkungslagen von Vorteil. Durch den nicht durch Kreuzungspunkte geschwächten Verbund kann die Tragfähigkeit der Verstärkungsfasern sehr gut ausgenutzt werden.

Weniger anfällig für Setz- und Wärmedehnungseffekte

So machen die geometrisch deutlich ausgeprägten „Zähne“ die Verbindung im Vergleich zu Klebe- und Pressverbindungen weniger anfällig für Setz- und Wärmedehnungseffekte. Zudem ist auch das Nachbruchverhalten meist deutlich gutmütiger („fail-safe“).

Konstruktionsbedingt sind allerdings geometrisch komplexe Lasteinleitungselemente erforderlich. Das hier prädestinierte Kaltumformverfahren („Axialformen“) ist wegen der erforderlichen Werkzeuginvestitionen eher bei mittleren bis großen Stückzahlen wirtschaftlich, so dass dieser Verbindungstyp an der LZS GmbH bisher für spätere (Groß-)Serienanwendungen (>10000 Stk/a) betrachtet wird.

Unterschiede im Kraftübertragungsniveau in der Fuge

Das oft zentrale Unterscheidungsmerkmal bildet die mechanische Leistungsfähigkeit der Verbindung. Neben der bereits benannten Robustheit, die vereinfachend mit steigendem Formschlussanteil ebenfalls steigt, gibt es auch große Unterschiede im Kraftübertragungsniveau in der Fuge.

Unterschiede im Kraftübertragungsniveau in der Fuge
Unterschiede im Kraftübertragungsniveau in der Fuge
(Bild: LZS GmbH)

Nach Erfahrungen und experimentellen Untersuchungen am LZS ist für die Profilverbindung hier eine etwa zweifache Leistungsdichte im Vergleich zu einer nach dem Stand der Technik ausgeführten Längspressverbindung zu erwarten. Im Vergleich zu Klebeverbindungen ist gar von einer drei- bis vierfachen Tragfähigkeit auszugehen. Somit wird durch die Profilverbindung insbesondere bei beschränktem Bauraum und höchsten Lasten der Anwendungsbereich von hybriden Torsionsrohren deutlich erweitert.

* Florian Lenz ist Leiter strategische Geschäftsentwicklung der LZS GmbH und Karsten Wippler Vorsitzender Geschäftsführer der LZS GmbH

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