Entwicklung eines Stahlblech-Mehrschichtverbundes mit textiler Einlage für Anwendungen in den Bereichen Transportsysteme und Consumerartikel

Verbundstoffe auf Basis textiler Komponenten als auch Blechverbunde mit Kunststoffeinlage sind seit vielen Jahren in technischen Anwendungen im Einsatz. Sie zeichnen sich allgemein durch ein geringes spezifisches Gewicht aus. Jedoch erfüllen sie nicht oder nur teilweise Eigenschaftskombinationen wie hohe Steifigkeit bei gleichzeitiger Schwingungsdämpfung und Tiefziehbarkeit.

Diese Lücke schließt der neue Stahlblech-Mehrschichtverbund bestehend aus zwei Hüllschichten aus Metall und einer Kernschicht, die sich als textile Konstruktion durch ein großes, einstellbares Porenvolumen bzw. durch ein geringes spezifisches Gewicht, durch einstellbare Dehnbarkeit, eine wählbare Dicke als auch einstellbare Kompressibilität auszeichnet. Diese Schichten sind mit einem Klebstoff verbunden, dessen Eigenschaften sich insbesondere an dem Anforderungsprofil der Anwendung orientieren.

Im Projekt wurde gezeigt, dass sich der Stahlblech-Mehrschichtverbund durch eine hohe Biege- und Schersteifigkeit bei großer Schwingungsdämpfung aus, bei geeigneter Kernschicht-Konstruktion und durch angepasste Klebstoffauswahl auch durch eine günstige Tiefziehbarkeit auszeichnet. Die Textilschicht ermöglicht die bislang nicht erzielbare Kombination aus hoher Verformbarkeit mit Steifigkeit und hoher Körperschalldämpfung.

Das Konstruktionsprinzip des neuen Verbundstoffs mit dem Dreischichten-Aufbau beinhaltet viele konstruktive Variablen, so dass der Werkstoff den Anforderungen im Hinblick auf die technischen Leistungen und der Ökonomie angepasst werden kann.

Bei der Herstellung wird die Sandwich-Struktur unter Druck und Temperatur ausgehärtet. In den Arbeiten konnte gezeigt werden, dass dieses Verfahren für eine Großserienproduktion geeignet ist, da die einzelnen Werkstoffe endlos in eine Fertigungslinie eingeführt werden können und erst an dessen Ende die Ablängung der Bleche stattfinden muss.

Bei der Bearbeitung von Halbzeugen des neuen Werkstoffes hat sich neben dem mechanischen Abschlagen vor allem das Wasserstrahlschneiden bewährt.

Zur Auslegung und Optimierung umformtechnischer Prozesse erfolgte die Ermittlung von relevanten Werkstoffkennwerten im einachsigen Zugversuch als auch in Tiefziehversuchen. Durch die Analyse von vielen Einzelversuchen konnte dabei der Arbeitsbereich des neuen Werkstoffes anschaulich in Diagrammform dargestellt werden.

Neben den mechanischen Vorteilen des Mehrschichtverbundes steht die Schalldämpfung im Fokus der besonderen Vorteile. Während reine Bleche den Schall praktisch ungemindert weiterleiten, führt die Entkopplung der beiden Blechlagen im Verbund zur erwünschten Körperschalldämpfung. Da eine Delamination des Verbundes nicht immer visuell feststellbar ist wurden zerstörungsfreie Prüfungen durchgeführt. Hierbei wird eine Prüfoberfläche thermisch angeregt und der sich einstellende Wärmefluss mit einer Infrarotkamera aufgezeichnet und bewertet.

Im Hinblick auf die Verarbeitung wurden neben weiteren mechanischen Eigenschaften insbesondere verschiedene Fügeverfahren analysiert und bewertet, sowie Alterungsuntersuchungen durchgeführt.

Insgesamt betrachtet konnte aufgezeigt werden, dass die Mehrschicht-Verbundwerkstoffe mit textiler Einlage eine neue Klasse von Leichtbaumaterialien darstellen, die Potential für eine Vielzahl von Anwendungen bieten. Ein herausragendes Merkmal der Mehrschicht-Verbunde ist die Anpassungsfähigkeit auf die Anwendung durch die Kombination der Materialien.