Integration of continuous fibres in hybrid injection moulding components

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Kenntnisgewinn zur Prozessintegrierbarkeit von lastpfadgerechten Endlosfaserverstärkungen in den spritzgießtechnisch hergestellten hybriden Materialübergang von Metall zu thermoplastischem Kunststoff. Dazu wird für einen Spritzgießprozess ein neuartiges Werkzeugkonzept entwickelt und erforscht, mit dem die integrale Formgebung und Verbindung im Prozess erfolgen kann. Es wird der Nachweis geführt, dass der endlosfaserverstärkte Materialübergang mechanische und thermische Vorteile bietet. Dieser wird durch die Prozessintegration von Faserschlaufen in der Grenzschicht Metall-Kunststoff hergestellt. Das fluiddynamische Materialverhalten von Endlosfasern in der einströmenden Schmelze und die Positionierung wird sowohl analytisch als auch simulativ in einer Fluid-Struktur-Interaktion analysiert und für die geometrische Konzeptionierung des Materialübergangs genutzt. Die Arbeit liefert dazu im Wesentlichen Kenntnisgewinne zu eingießbaren freien Faserlängen im Metall-Kunststoff-Übergang, zum fließdynamischen Verhalten von Fasern in der Kunststoffschmelze und zur zielgerichteten Positionierung von Fasern über fluidgetriebene Werkzeugeinsätze. Ebenfalls werden die Prozessgrenzen der Faserinfiltration sowie des kritischen Faserbiegeradius sowohl modellbasiert als auch experimentell nachgewiesen. Für die konzeptionelle Auslegung von Material und Geometrie im Werkstoffübergang wird ein Berechnungstool konzipiert, mit dem in der frühen Entwicklungsphase die thermisch bedingte Schereinflusszone des Materialübergangs spannungsoptimiert ausgelegt werden kann. Im Zuge der experimentellen Verfahrensvalidierung wird die thermische Abhängigkeit des Materialübergangs auf die Verbundfestigkeit nachgewiesen und die relevanten Prozessparameter zur mechanischen Festigkeitssteigerung bestimmt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die atmosphärische Plasmavorbehandlung von E-Glasfasern ein zielführendes Verfahren zur weiteren Steigerung der Verbundfestigkeit bei der spritzgießtechnischen Direktimprägnierung mit Polyamid 6 ist.The objective of the present thesis is to gain knowledge about the process integration of load-path oriented continuous fibre reinforcements into the hybrid material interface from metal to thermoplastic manufactured by injection moulding. For this purpose, a novel tool concept for an injection moulding process is developed and researched, which allows the integral shaping and joining in one process. It is proven that the continuous fibre reinforced material interface offers mechanical and thermal advantages. This is achieved by the process integration of fibre loops in the metal-plastic boundary layer. The fluid-dynamic material behaviour of continuous fibres in the inflowing melt and its positioning is analysed both analytically and simulatively in a fluid-structure interaction and is used for the geometrical conception of the material interface. The work essentially provides knowledge about free fibre lengths in the metal-plastic interface, the flow dynamic behaviour of fibres in the plastic melt and the precise positioning of fibres via fluid-driven tool inserts. Furthermore, the process limitations of fibre infiltration and the critical fibre bending radius are verified both model-based and experimentally. For the conceptual design of material and geometry in the material interface, a calculation tool is being developed which allows the stress-optimised design of the thermally induced shear zone of the material interface in the early development phase. In the course of experimental process validation, the thermal dependence of the material interface on the composite strength is verified and the relevant process parameters for mechanical strength increase are identified. Furthermore, it is shown that the atmospheric plasma pre-treatment of E-glass fibres is a suitable process for improving the composite strength with polyamide 6 in injection moulding

Multi-functional battery housing for electric vehicles

In the current research project a lightweight part with integrated functions for electric vehicles is developed. With the approach of a multi-material mix consisting out of fibre reinforced plastics (FRP), aluminium foam and solid aluminium a reference battery housing made of steel is replaced. Here the focus is on the integration of mechanical functions, the thermal management as well as crash and intrusion protection

Multifunctional FRP-aluminum foam setup for battery housings of electric vehicles

The battery systems of electrified vehicles are characterised by increasing weight due to larger battery modules. A lightweight battery carrier structure can reduce the system weight by replacing heavy metallic housing components by materials like fibre-reinforced plastics (FRP) and aluminum. The battery housing has to meet several requirements, e.g. stiffness, crash and intrusion protection, proof of leakage and thermal management. Present battery housings are manufactured using pressure die-cast aluminum in combination with steel carrier structures and are cooled actively. A novel approach is a lightweight hybrid battery housing consisting of a thermoformed FRP as stiff outer shell and an integrated closed cell aluminum foam infiltrated with phase-change-material for passive thermal management. This multi-material setup enables substitution of functionally separated systems in one intelligent solution. In the Open Hybrid LabFactory an entire process chain was built up including the aluminum foaming process, the thermoforming of FRP with heating and consolidating as well as the integrated forming and joining process of FRP with aluminum foam. With the goal of application-orientated research, a battery housing of an existing electric car was used to define requirements such as design space and mechanical specifications. Based on parameter studies an optimised process setup was achieved, which will be described in this paper