Übertragungsverhalten von Metall/Nichtmetall-Bauteilkontakten am Beispiel eines mechanischen Fügeelementes für rohrförmige CFK-Halbzeuge

Durch die immer größer werdende Notwendigkeit von mehr Energieeffizienz und reduzierten Kohlendioxid-Emissionen rücken Leichtbaukonstruktionen immer weiter in den Vordergrund. Dabei spielen vor allem faserverstärkte Kunststoffe eine wichtige Rolle. Mit der Nutzung dieser Werkstoffe bedarf es auch einer effizienten Fügetechnologie, die in der Lage ist das hohe Werkstoffpotential nicht zu schwächen. Bisher werden Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen in der Regel durch stoff- oder formschlüssige Technologien wie Kleben oder Bolzenverbindungen gefügt. Kraftschlüssige Technologien haben bisher nur mäßige Erfolge gebracht, da durch die niedrige Reibungszahl zwischen Stahl und CFK große Flächen und hohe Anpresskräfte erfordert, um konkurrenzfähig zu werden. Am Beispiel eines Fügeelementes für CFK-Rohre wird untersucht, welchen Einfluss verschiedene Oberflächenstrukturen auf die Reibungszahl im Kontakt haben. Dabei wird bewusst in Kauf genommen, dass der Faserverbund partiell mit lokaler Begrenzung geschädigt werden kann. Für die Berechnung dieses Kontaktverhaltens werden zwei FEM- Modelle genutzt, welche den Mikro- und Makrobereich eines solchen Fügeelementes abdecken. Zur Verifizierung der Berechnungsergebnisse sind verschiedene Versuche durchgeführt worden. Zusätzlich wird ein neu entwickelter Prüfstand zur Messung von Reibungszahlen genutzt. Die Ergebnisse aus Berechnung und Experiment werden kritisch diskutiert. Die Arbeit zeigt, dass es möglich ist die Reibungszahl im Kontaktbereich von Stahl und CFK gezielt auf Werte über 0,7 zu steigern, ohne dabei den Werkstoff signifikant in seiner Tragfähigkeit herabzusetzen. Die Anwendung dieser Oberfläche auf das Fügeelement ergibt eine Vervierfachung der Leistungsfähigkeit im Bezug auf eine glatte Fläche.