Wie hinterspritzte Organobleche zu gestalten sind

Konstrukteure von tragenden Hybridbauteilen aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) und Spritzguss stehen vor komplexen Fragestellungen. Wie müssen Rippen gestaltet sein, um eine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen der Spritzgießkomponente und dem FKV zu erzielen? Welchen Einfluss haben das Material und der Prozess? Neue Forschungsergebnisse zeigen geometrische, materialspezifische und prozessbedingte Einflussfaktoren auf die Festigkeit der Verbindungszone und bieten so wertvolle Hilfestellung bei der Bauteilauslegung.

Thermoplast-Hybridstrukturen bestehen meist aus Organoblechen oder Tapes und angespritzten Funktionselementen wie Rippen, Schraubdomen oder Führungselementen. Sie sind mit ihren hohen Festigkeiten und Steifigkeiten in Kombination mit sehr geringen Fertigungszeiten besonders attraktiv für Leichtbaustrukturen im Großserienbereich und haben sich daher in den letzten Jahren gerade im Automobilbereich etabliert. Die Verbindungsfestigkeit zwischen der Spritzgießkomponente und der flächigen Faserverbundstruktur ist dabei von entscheidender Bedeutung für die Tragfähigkeit dieser Hybridstrukturen. Doch wie lässt sich durch eine geeignete geometrische und prozesstechnische Auslegung eine hohe Verbindungsfestigkeit erreichen? Dieser Fragestellung widmeten sich das Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden zusammen mit dem Kunststoff-Zentrum SKZ in Würzburg.

Zahlreiche Studien haben sich bereits mit der Verbindungsfestigkeit von angespritzten Rippenstrukturen auf Organoblechen befasst. In der Regel wurden die Rippen dabei in Normalenrichtung des Organoblechs in einer Prüfmaschine abgezogen und die nominellen Versagensspannungen ermittelt. In der Praxis treten bei komplexen Bauteilen jedoch immer kombinierte Belastungsfälle auf, sodass in der Verbindungszone zwischen Rippe und Organoblech neben Normal- auch Schubspannungen entstehen. Um diesem Aspekt Rechnung zu tragen, wurden mit Hilfe gekoppelter Prozess-Struktursimulationen umfangreiche numerische Studien zum Einfluss der Rippenfußgeometrie auf Spannungen in der Verbindungszone zwischen Rippe und textiler Grundstruktur durchgeführt. Geeignete Rippenfußformen, wie der bionisch inspirierte Rippenfuß nach Mattheck, wurden daraufhin für weiterführende experimentelle Untersuchungen ausgewählt. Eine stumpfe Rippe, gänzlich ohne Rippenfuß sollte zusätzlich als Referenz für eine ungünstige geometrische Rippenfußgestaltung dienen.

Zur experimentellen Untersuchung der Rippen war zunächst eine Prüftechnik zu entwickeln, mit der sich neben der Kopf-Zugbelastung auch Schubbelastungen längs und quer zur Rippe realisieren lassen, um die realen Bauteilbeanspruchungen besser abbilden zu können. Die Herstellung der textilen Thermoplast-Hybridprüfkörper erfolgte mit einem modularen Spritzgießwerkzeug, welches mit Hilfe von Wechseleinsätzen die Herstellung von vier verschiedenen Rippenfußgeometrien für zwei unterschiedliche Rippengrößen ermöglicht. Darüber hinaus ist auch die Dicke des Organoblechs mit einer Grundfläche von 296 x 296 mm² zwischen 0,5 und 4 mm variierbar. Die Spritzgießmaschine wurde für das Vorwärmen der Organobleche vor dem Einlegen ins Werkzeug um einen Ofen mit Infrarotheizstrahlern ergänzt. Für die Untersuchungen kamen Organobleche und Tapes mit einer Polypropylen-(PP) Matrix sowie ein kurz- und ein langglasfaserverstärktes Polypropylen als Spritzgießmaterial zum Einsatz.

Zusätzlich zu den ermittelten Maximalkräften und resultierenden Spannungen wurden bei der Prüfung auch die Versagensarten dokumentiert. Am häufigsten löste sich die Spritzgießkomponente komplett oder zumindest teilweise vom Organoblech ab. Dabei zeigten die unterschiedlichen Rippenfußgeometrien verschiedene Versagensformen, was im Bild 2 zu sehen ist. Diese stimmen gut mit den simulierten Spannungen in der Verbindungszone überein. So treten beim hohen Rippenfuß A die Spannungsspitzen an der Außenkante auf, sodass hier erste Risse entstehen, die entlang der Verbindungszone nach innen wachsen, und letztlich ein vollständiges Ablösen der Spritzgießkomponente bewirken. Bei den beiden anderen Rippenfußformen B und C liegen die berechneten Spannungsspitzen näher an der Rippe, sodass das Risswachstum an diesen Stellen beginnt. Hier erfolgt der Bruch nahezu senkrecht zur Verbindungszone durch den Rippenfuß, die äußeren Bereiche bleiben dabei am Organoblech haften. Bei einigen Prüfungen trat auch ein Versagen im Rippenhals auf, was bedeutet, dass die Verbindungsfestigkeit höher ist als die Grundfestigkeit der Rippe. Dies war im Besonderen bei der Schubbelastung quer zur Rippe zu beobachten.

Die Gestaltung der Rippenfußgeometrie hat einen entscheidenden Einfluss auf die Tragfähigkeit der Verbindungszone. Dies war bei allen drei Belastungsfällen zu beobachten, insbesondere bei der Kopf-Zugbelastung und bei Schubbeanspruchung quer zur Rippe. Insgesamt zeigte die bionische Rippenfußgeometrie C, welche nach der Methode der Zugdreiecke von Mattheck gestaltet wurde, die höchste Belastbarkeit. Im Vergleich zur stumpfen Rippe D konnte die übertragbare Maximalkraft teilweise verdoppelt werden. Der hohe Rippenfuß
A wies bei Kopf-Zugbelastung ähnlich hohe Bruchlasten wie die Rippenfußgeometrie C auf, bei Schubbelastungen trat das Versagen jedoch früher auf. Der nach außen hin spitz zulaufende Rippenfuß B zeigte bei gleicher Rippenbreite eine insgesamt geringere Belastbarkeit. Dennoch lässt sich auch mit dieser Geometrie eine deutliche Verbesserung im Vergleich zur stumpfen Rippe erzielen.

Auch die Gestaltung des Organoblechs hat einen Einfluss auf die Verbindungsfestigkeit. So kann bei dickeren Organoblechen eine höhere Maximallast erreicht werden. Dies lässt sich hauptsächlich auf das geringere Durchbiegen bei Belastung zurückführen. Dünnere Organobleche biegen sich bei gleicher Beanspruchung stärker durch, sodass eine Schälbelastung in der Verbindungszone entsteht, die zum früheren Versagen führt (Bild 3). Zudem kühlen dünne Organobleche mit Wandstärken von circa 0,5 mm beim Einlegevorgang ins Werkzeug schneller ab, woraus eine niedrigere Oberflächentemperatur während der Einspritzphase resultiert. Die textile Architektur des eingelegten Organoblechs hat aufgrund ihrer Verstärkungswirkung ebenfalls einen Einfluss auf die erreichbaren Maximalkräfte. Versuche mit unidirektionalen (UD-) Tapes, bei denen die Rippen quer zur Faserlage angespritzt wurden, zeigen, dass unter
Kopf-Zugbelastung höhere Lasten im Vergleich zur Gewebeverstärkung übertragen werden können, wohingegen bei den Schubversuchen die Maximalkraft tendenziell geringer ausfiel. Die Faserorientierung im gewebeverstärkten Organoblech zeigte hingegen keinen eindeutigen Einfluss auf die Verbindungsfestigkeit.

Bei den Prozessparametern stellt insbesondere die Vorwärmtemperatur der Organobleche eine wichtige Einflussgröße dar. Mit der Erhöhung der Organoblechtemperatur vor dem Einlegen ins Werkzeug ließ sich die Verbindungsfestigkeit deutlich steigern. Besonders prägnant fiel diese Steigerung beim Erhöhen der Temperatur von 150 auf 180 °C aus (Bild 4). Thermogravimetrische Untersuchungen zeigten, dass bei Erreichen von 180 °C das Matrixpolymer komplett aufgeschmolzen ist.

Eine weitere Erwärmung führte in den Versuchen zu keiner signifikanten Zunahme der Verbindungsfestigkeit. Es ist dabei zu beachten, dass das Auskühlen des Organoblechs während des Transfers ins Werkzeug kompensiert werden muss und daher die Vorwärmtemperatur im Heizfeld entsprechend höher zu wählen ist. Ein übermäßiges Erwärmen gilt es jedoch zu vermeiden, um das Polymer nicht zu schädigen. In den Untersuchungen stellte sich weiterhin heraus, dass eine hohe Formmassentemperatur sowie ein hoher Nachdruck im Besonderen bei Rippen mit langen Fließwegen vorteilhaft sind. Bezüglich der Fließgeschwindigkeit und der Werkzeugtemperatur zeigte sich kein signifikanter Einfluss.

Eine gute Verbindungsfestigkeit zwischen Spritzgießmaterial und Organoblech ist eine wesentliche Voraussetzung, um hohe Kräfte innerhalb textilverstärkter Thermoplast-
Hybridstrukturen dauerhaft zu übertragen. Im Rahmen der Untersuchungen ließen sich die Haupteinflussfaktoren identifizieren und Empfehlungen für passende Prozessfenster ableiten. Zwei Rippenfußgeometrien stellten sich als besonders geeignet für mehrachsige Beanspruchungen heraus. Die Ergebnisse unterstützen Konstrukteure dabei, Thermoplast-Hybridstrukturen sicher auszulegen und zukünftig vermehrt für Leichtbauanwendungen einzusetzen. Die Kenntnis der wesentlichen Prozesseinflüsse ermöglicht zudem eine effiziente
Qualitätssicherung im Fertigungsprozess.

Das IGF-Vorhaben 19917 BG der Forschungsvereinigung FSKZ e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert. Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung des Fördergebers sowie bei allen beteiligten Industriepartnern, insbesondere bei Brose Fahrzeugteile, Arburg, Borealis Polyolefine sowie HRS Flow.