Nowoczesne materiały zapewniają wyso­ką wytrzymałość przy małej masie. Ta tak zwana wytrzymałość odniesiona do masy sprawia, że interesujące staje się za­stosowanie tworzyw sztucznych wzmocnio­nych włóknem szklanym do konstrukcji i wykonywania lekkich struktur o zoptyma­lizowanej masie. Dotyczy to zwłaszcza two­rzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym (ang. CFRP – Carbon Fiber Rein­forced Plastic). Z CFRP mogą być wykony­wane części o wytrzymałości dostosowanej do obciążeń, o znacznie mniejszej masie niż ze stali albo z aluminium [1]. Ze względu na wysoką cenę materiału i częściowo bardzo pracochłonną obróbkę CFRP nie stosuje się dotąd części z tego materiału w produkcji se­ryjnej. Jego zastosowanie ogranicza się w prze­myśle samochodowym przede wszystkim do małych serii i ekskluzywnych pojazdów.

W celu wykorzystania dobrych właściwo­ści mechanicznych i związanego z tym du­żego potencjału zastosowania CFRP w lek­kich konstrukcjach w Instytucie Lekkich Konstrukcji z Systemem Hubrydowym (In­stitut für Leichtbau mit Hybridsystemen – ILH) na Uniwersytecie Paderborn prowadzi się badania nad nowymi technikami pro­dukcyjnymi do wykonywania hybrydowych struktur metalowych o wyso­kiej trwałości wzmocnionych włóknem węglowym. W ILH przeprowadzono w tym celu interdyscyplinarne badania, pozwalające na kompleksowe opracowanie projektów do­tyczących lekkich konstruk­cji. Zadania instytutu obej­mują, oprócz techniki pro­dukcyjnej, również kwestie z dziedziny chemii i fizyki, np. analizę powierzchni gra­nicznych. Spektrum tych zadań znajduje odzwiercie­dlenie w bogato wyposażo­nym parku maszynowym instytutu, od ciężkich pras do obróbki plastycznej aż do mikroskopów elektronowych o dużym powiększeniu.

Wzmocnienie części stalowych prepregami z CFRP
Przykładem współpracy pomiędzy techniką produkcji, mechaniką techniczną i materia­łoznawstwem jest projekt badawczy „Opra­cowanie technologii produkcji hybrydowych struktur kompozytowych”. W projekcie finan­sowanym od 2009 roku z Funduszy Europej­skich Rozwoju Regionalnego (EFRE) i przez Północną Westfalię zajmowano się opraco­waniem półfabrykatów i procesów produk­cyjnych dla konstrukcji stalowych wzmoc­nionych miejscowo, nadających się do pro­dukcji seryjnej i wykonywanych z hybrydo­wych półfabrykatów. W tym celu, wspólnie z czterema partnerami z takich dziedzin prze­mysłu, jak przemysł samochodowy, kompo­zyty i budowa narzędzi, opracowano różne koncepcje i technologie dla odpowiedniego połączenia stali i CFRP w celu skumulowania zalet obu tych materiałów.

Stal i CFRP różnią się znacznie od siebie. Stal jest dostępna w dużych ilościach i tania. Można ją łatwo poddawać obróbce plastycz­nej, a metody jej obróbki zostały przez lata doprowadzone do perfekcji. Natomiast produkcja włókien węglowych wymaga du­żych nakładów. W porównaniu ze stalą są one dostępne na rynku w bardzo małych ilościach i w wysokiej cenie. Przy łączeniu obu tych materiałów chodzi więc o dobranie prawidło­wego ich stosunku. W celu zastosowania CFRP w produkcji wielkoseryjnej do wyrobu części, które później będą mogły być również zastosowane w samochodach osobowych średniej klasy, dąży się do lokalnego wzmoc­nienia części stalowych prepregami z CFRP (wstępnie impregnowanymi półfabrykatami z włókien). Celem ograniczonego do miej­scowego zastosowania użycia materiału jest przejrzyste przedstawienie zwiększonych kosztów materiałowych i technologicznych.

Części hybrydowe ze stali i kompozytu mają duży potencjał zastosowania w lekkich konstrukcjach, który może zostać w pełni wykorzystany przez łatwe wprowadzenie procesów wspólnej obróbki plastycznej. Prepregi dostosowane do obciążenia, z okre­ślonym położeniem włókien, optymalnie przejmują siły występujące w detalu i za­pewniają wysoką wytrzymałość przy małej masie. Miejscowe wzmocnienie włóknami węglowymi umożliwia znaczne zredukowa­nie grubości zastosowanych blach stalo­wych. Ze względu na stosunkowo wysoką gęstość stali zmniejszenie grubości blach odgrywa istotną rolę w kształtowaniu się całkowitej masy takiej konstrukcji.

Zastosowanie klasycznych metod łączenia
Blacha podstawowa części hybrydowych speł­nia jednak istotną funkcję. W kompozycie zapewnia ona również połączenie z innymi częściami. Przy montażu można stosować wszystkie klasyczne metody łączenia. Dlatego nie jest konieczne wiercenie części, np. w celu wykonania otworów na nity i tym samym uszkodzenie włókien. W badaniach zniszcze­niowych na własnym stanowisku badawczym (vmax = 25 m/s, Emax = 32 kJ) wykazano, że połączenie stali i CFRP zapewnia zmniejsze­nie masy do 35% dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu prepregu w zależności od połączenia materiałowego, geometrii i rodza­ju obciążeń [2].

Prepregi nadają się idealnie, dzięki możli­wości dostosowania kształtu, do miejscowego wzmocnienia. Są one wytwarzane w sposób ciągły na specjalnych urządzeniach, co za­pewnia bardzo wysoką i stałą jakość. Ich struktura w postaci tkaniny albo rowingów optymalizację części i oczekiwanych obcią­żeń. W ten sposób powstaje idealna baza do miejscowego wzmacniania metalowych struktur podstawowych. W aktualnym pro­jekcie badawczym stosuje się prepregi CFRP z osnową z żywicy epoksydowej.

Osnowa na bazie żywicy epoksydowej nie­sie ze sobą wiele korzyści. Pod wpływem temperatury żywica epoksydowa utwardza się, tworząc odporne chemicznie duropla­styczne tworzywo sztuczne i stałe połączenie klejowe pomiędzy stalą i CFRP. W przeci­wieństwie do tworzyw termoplastycznych (np. PA 6) żywice epoksydowe zapewniają bardzo dobrą przyczepność, nawet na nieco zanieczyszczonych olejem powierzchniach. Prepregi pozwalają wyeliminować praco­chłonne wstrzykiwanie żywicy i zapewniają równomierne zwilżenie włókien, będące podstawowym warunkiem ciągłego przeno­szenia siły pomiędzy włóknami.