MC-Sandwich | Realisierung von funktionsintegrierten, hochkomplexen Metall-CFK-Sandwichstrukturen

Fertigung filigraner Kernstrukturen mittels additiver Fertigung

Durch den Einsatz der additiven Fertigung zur Herstellung der filigranen und komplexen metallischen Kernstrukturen sollen bestehende Lücken im Leistungsspektrum von Sandwichstrukturen geschlossen werden. Die Einbringung von Funktionselementen, die beispielsweise eine mechanische Verbindung zu angeschlossenen Baugruppen oder eine elektrische Leitfähigkeit erlauben, soll gewährleistet werden.

Optimierung der Anbindung von metallischem Kern zu CFK-Deckschichten

Die dünnen und steifen Deckschichten aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) lassen sich ebenfalls durch die Faserorientierung optimieren. Die Anbringung der Deckschicht auf den Kern soll direkt im automatisierten Faserablegeprozess erfolgen, sodass keine weiteren Verbindungsschritte notwendig sind.

Zusätzlich soll je nach Material die übliche Wärmenachbehandlung additiv gefertigter Metallstrukturen zusammen mit dem Aushärteprozess von CFK durchgeführt werden, sodass auch hier Synergien zur Verkürzung der Prozesskette genutzt werden.

Neben den Verarbeitungstechnologien wird auch die Oberflächenvorbehandlung der Metallstruktur betrachtet, um eine optimale Anbindung zwischen Kern und Deckschichten zu gewährleisten und somit die angestrebte Lastübertragung zu erreichen.

Im bisherigen Projektverlauf konnten für die Erstellung der Kernstruktur dünnwandige Wabenstrukturen aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg und der Kupferlegierung CuCr1Zr mittels Laser Beam Melting (LBM) realisiert werden. Anhand einer Probegeometrie wurde untersucht, wie sich unterschiedliche Belichtungsstrategien und Orientierungen der Bauteile im Bauraum auf die Baubarkeit und die Wandstärken auswirken. Anschließend wurden mögliche Ausrichtungen der Bauteile im Bauraum der LBM-Anlagen identifiziert und Regeln zur Bauteilplatzierung aufgestellt. Mit der Durchführung eines stabilisierten Druckversuchs wurde die Korrelation von Prozessparametern, Wärmebehandlungszuständen und Kerneigenschaften untersucht.

Um noch filigranere Kernstrukturen erzeugen zu können, laufen derzeit Versuche zu einem Prozess mit modulierter Laserleistung. Aufgrund eines geringeren Energieeintrags können dünnere Strukturen als bei konventionellem, kontinuierlichen Betrieb des Lasers erzielt werden. Nachdem erste Tests mit der gut zu verarbeitenden Nickel-Basislegierung IN718 erfolgreich durchgeführt wurden, steht der Übertrag auf die für Leichtbauanwendungen interessante Titanlegierung Ti6Al4V an.

Mit dem Ziel, die Anbindung zwischen metallischem Kern und der Deckschicht aus CFK zu optimieren, wurden zunächst Untersuchungen zur Benetzbarkeit der metallischen Oberfläche mit Epoxidharz durchgeführt. An polierten Aluminium-Probekörpern mit unterschiedlichen chemischen Beschichtungen und später an Probekörpern mit verschiedenen mechanischen Oberflächenbehandlungen wurden Kontaktwinkelmessungen vorgenommen. Anhand der Ergebnisse wurden Double-Lap Shear (DLS) Proben entwickelt, welche für erste Zug-Scher-Prüfungen herangezogen wurden. Die Oberflächenmodifizierung mit Organosilanen und einer DLC (Diamond-like-Carbon) Beschichtung haben gezeigt, dass die Anbindung deutlich gesteigert werden konnte.

Ein Fokus für die weitere Steigerung der Anbindung und somit der Sandwich-Performance liegt auf der Vergrößerung der Anbindungsfläche der Kernstrukturen. Hierbei gilt ein besonderes Augenmerk der Parametrisierbarkeit von Stegoberseiten bei Wabenstrukturen, um die für die Laminatanhaftung zur Verfügung stehende Fläche anforderungsgerecht steuern zu können. Die Baubarkeit durch die additive Fertigung wird dabei über die Berücksichtigung vorgegebener Parameter im Workflow einer digitalen Entwicklungsumgebung sichergestellt.