Gestaltung von Formschlussverbindungen in Thermoplast-CFK-Metall-Hybriden auf verschiedenen Skalenebenen

Abstract

In der Automobilindustrie werden Leichtbaukonzepte metallischer Werkstoffe weiterentwickelt und mit faserverstärkten Kunststoffen im Multimaterialverbund kombiniert. Dabei führen Verbindungen artfremder Materialien zu werkstoffspezifischen sowie konstruktiven Herausforderungen, zu denen die mechanische Gestaltung eines Anbindungssystems und dessen Grenzflächen zählen. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Oberflächengestaltung auf die Verbundfestigkeit und das Schädigungsverhalten derartiger Verbindungen untersucht. In simulativen Studien wird die Funktion von mesoskaligen, formschlüssigen Pin-Strukturen analysiert und die Wirkungsweise der Geometrie und Anordnung der Pins unter Beachtung der Wechselwirkung mit adhäsiven Grenzflächenhafteigenschaften beschrieben. In quasistatischen und dynamischen Experimenten werden Einflüsse und Funktionen von Formschlussüberlagerung mehrerer Skalenebenen erforscht. Dabei werden der Rauheitseinfluss auf der Mikroskala, die Pin-Strukturen auf der Mesoskala und das Einlegerdesign auf der Makroskala und deren Zusammenwirken analysiert. Die Entwicklung eines geeigneten Prüfkörpers dient als Basis für die Untersuchung von lastpfadorientierten Pin-Strukturen und deren Auswirkung auf die Verbundfestigkeit und das Schadensverhalten in Abhängigkeit zur Grenzflächenhaftfestigkeit des Hybridverbunds. Die Erkenntnisse werden in Gestaltungshinweisen für Thermoplast-CFK-Metall-Hybridgrenzflächen zusammengefasst.

In the automotive industry, lightweight construction concepts of metallic materials are expanded and combined with fibre-reinforced plastics in multi-material composites. Thereby, connections of dissimilar materials lead to material-specific as well as constructive challenges including the mechanical design of a connection system and its interfaces. The influence of surface design on joint strength and damage behavior is the focus of this investigation. Simulation studies are conducted to analyze the functionality of interlocking mesoscale pin structures and to describe how the geometry and arrangement of pins interact with adhesive bond strengths. In quasi-static and dynamic experiments, influences and functions of interlocking superposition on several scale levels are explored. This includes the influence of surface roughness on the microscale, the pin structures on the mesoscale and the inserter design on the macroscale as well as their interactions. The development of a specific test specimen enables the investigation of load-path oriented pin structures and their effect on the bond strength and damage behavior. The influence of the interfacial adhesion strength on these properties is considered in the experimental set-up. The findings are summarized in design instructions for thermoplastic-CFRP-metal hybrid interfaces.