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Dokument Type: Doctoral Thesis
Title: Leichtbaupotenziale im Fahrwerk – Multi-Material-Design durch simultane Umformung von Metallblechen und Urformung von langfaserverstärkten Thermoplasten (LFT)
Other Titles: Potential for lightweight construction in the chassis – multi-material design by simultaneous forming of metal sheets and compression molding of long fiber-reinforced thermoplastics (LFT)
Authors: Kloska, Tobias 
Institute: Fakultät IV - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät 
Institut für Fahrzeugtechnik 
Free keywords: Faserverbund-Leichtbau, Multi-Material-Design, LFT-Fließpressen, Blechumformung
Dewey Decimal Classification: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
GHBS-Clases: ZQQ
ZQP
ZIK
Issue Date: 2020
Publish Date: 2020
Series/Report no.: Siegener Schriftenreihe Automobiltechnik 
Source: Siegen: universi - Universitätsverlag Siegen, 2020. - ISBN 978-3-96182-056-6
Abstract: 
Der moderne Fahrzeugbau verfolgt mit den kunden- und marktbezogenen Anforderungen nach
Komfort und Sicherheit auf der einen Seite sowie einem möglichst geringen Kraftstoffverbrauch
und der Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten auf der anderen Seite zwei übergeordnete Ziele.
Der werkstoffliche Leichtbau muss als tragende Säule innerhalb der Fahrzeugentwicklung demnach
sowohl den Sicherheitsaspekt berücksichtigen als auch zur Reduktion der Fahrzeugmasse
und somit zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bzw. des Schadstoffausstoßes beitragen.
Neben der Entwicklung neuer, hochfester und mittels Warmumformung hergestellter Stahlgüten
zur Verringerung von Blechdicken sowie Mischbauweisen mit Aluminium und Magnesium
werden zunehmend auch faserverstärkte Kunststoffe im Fahrzeugbau eingesetzt. Bei Anwendung
dieser sogenannten Multi-Material-Bauweise bis auf Bauteilebene resultiert gleichzeitig
ein Bedarf nach wirtschaftlichen und kombinierten Herstellungsverfahren für Kunststoff-Metall-
Hybridbauteile.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines solchen Fertigungsverfahrens namens
„Hybridpressen“, welches die Kaltumformung von Stahlblechen mit dem Fließpressen von langfaserverstärkten
Thermoplasten in einem simultanen Prozessschritt kombiniert und gleichzeitig
beide Werkstoffe durch Einsatz eines Haftvermittlers stoffschlüssig miteinander verbindet. Dazu
werden die erforderlichen Werkzeug- und Dichtkonzepte für verschiedene Geometrien erarbeitet,
die Verbindungseigenschaften ermittelt sowie relevante Prozessparameter identifiziert und
optimiert. Mit Hilfe einer entwickelten Auslegungs- und Optimierungsmethode auf Basis der Finite-
Elemente-Methode (FEM) wird es möglich, Stahlbauteile durch Blechdickenreduktion und
gleichzeitige Verstärkung mit einer Rippenstruktur aus faserverstärktem Kunststoff bis zu 20 %
leichter zu gestalten, ohne dabei einen Verlust in den mechanischen Bauteileigenschaften zu
erhalten. Der gesamte Prozess von der Auslegung des Bauteils und Werkzeugs bis zur Fertigung
auf Serienanlagen wird anhand eines realen Vorderachs-Querlenkers demonstriert.

Modern vehicle construction follows two overriding goals with customer- and market-related
requirements for comfort and safety on the one hand and the lowest possible fuel consumption
and compliance with emission limits on the other hand. Accordingly, lightweight construction
based on materials must, as a supporting pillar within vehicle development, consider both the
safety aspect and the reduction of vehicle mass and thus contribute to the reduction of fuel consumption
and pollutant emissions. In addition to the development of new, high-strength steel
grades produced by hot forming to reduce sheet thicknesses and mixed construction methods
with aluminum and magnesium, fiber-reinforced plastics are also increasingly being used. The
application of this so-called multi-material construction method down to the component level
simultaneously results in a demand for economic and combined manufacturing processes for
hybrid components made of plastics and metal.
This work describes the development of such a production process called “hybrid forming”,
which combines the cold forming of steel sheets with the compression molding of long fiber reinforced
thermoplastics in a simultaneous process step and at the same time connects both materials
by using an adhesion promoter. The required tool and sealing concepts for different geometries
are developed, the joining properties are determined, and relevant process parameters
are identified and optimized. With the aid of a developed design and optimization method based
on the finite elements method (FEM), it will be possible to make steel components up to 20%
lighter by reducing sheet thickness and simultaneously reinforcing them with a ribbed structure
made of fiber-reinforced plastic without losing any of the components’ mechanical properties.
The entire process, from the component and tool design to the manufacturing on series production
lines, is demonstrated using a real front axle control arm.
DOI: http://dx.doi.org/10.25819/ubsi/1479
URN: urn:nbn:de:hbz:467-15884
URI: https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/1588
License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
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