Fügen von Mischbaustrukturen aus metallischen Werkstoffen und FVK-Bauteilen mittels Schließelement-Stanznieten
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Vadim Sartisson, M.Sc., Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn
122 Seiten - 72,00 EUR (sw, 83 teils farbige Abb., 26 Tab.)
ISBN 978-3-86776-457-5
Zusammenfassung
Im Zuge der Maßnahmen zur Gewichtsreduzierung im Karosseriebau konzentrieren sich aktuelle Entwicklungen auf innovative Leichtbaulösungen. Besonderes Potenzial zeigen hierbei Mischbaukonzepte aus Stählen mit unterschiedlichen Festigkeiten in Kombination mit Aluminium, anderen metallischen Leichtbauwerkstoffen und Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV).
Zum wirtschaftlichen Verbinden artverschiedener Werkstoffe kommen zumeist Hybridfügeverfahren zum Einsatz, welche die Vorteile des mechanischen und des klebtechnischen Fügens vereinen.
Jedoch stellt das Verbinden von FKV mit Metallen eine Herausforderung an die Fügetechnik dar. Aufgrund mangelnder Umformbarkeit der FKV können daher bislang nur solche Verfahren vorlochfrei eingesetzt werden, die die Anordnung des FKV auf der Stempelseite bzw. als Decklagenmaterial bedürfen. So können nach aktuellem Stand der Technik Anwendungen, die eine Anordnung des FKV auf der Matrizenseite bzw. als Basislage erfordern, nur mit vorlochbehafteten Verfahren, wie Blindnieten und Schließringbolzen-Systemen erfolgen.
Ziel dieses Forschungsvorhabens war daher die Entwicklung eines neuartigen Fügeverfahrens, welches das vorlochfreie Fügen von Metallen mit FKV bei matrizenseitiger Anordnung des Faser-Kunststoff-Verbundes ermöglicht. Hierzu wurde der Vollstanznietprozess modifiziert, indem ein zusätzliches matrizenseitig angeordnetes Hilfsfügeelement zur Verbindungsherstellung hinzugezogen wurde. Das zusätzliche Hilfsfügeteil dient als Schließelement, welches durch eine ausreichend gute Umformbarkeit den Fügeprozess ermöglicht. Da bei der Verwendung eines Schließelements dieses beim Prozessschritt Stanzen auch als Schneidwerkzeug wirkt, ist der Werkstoff und die Geometrie des Hilfsfügeteils von entscheidender Bedeutung.
Um das Ziel des Vorhabens zu erreichen, wurden im Projekt verschiedene Typen von Schließelementen im Rahmen einer Einflussgrößenanalyse entwickelt und optimiert. Mithilfe angepasster Prozessparameter wurde ein stabiler Prozess erzielt, der die beschriebene Fügeaufgabe lösen kann. So konnte zum einen die Machbarkeit des Verfahrens nachgewiesen werden. Zum anderen konnte mithilfe mechanischer, statischer Festigkeitsprüfungen gezeigt werden, dass ausreichend große Verbindungsfestigkeiten mit dem Verfahren Schließelement-Stanznieten erzielbar sind. Es konnten nur geringe, durch den Fügevorgang hervorgerufene Schädigungen beobachtet werden. Die Korrosionseigenschaften der erzeugten Verbindungen stellen jedoch eine Herausforderung dar, die in zukünftigen Forschungsarbeiten detaillierter betrachtet werden muss.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Fügen von Mischbaustrukturen aus metallischen Werkstoffen und FVK-Bauteilen mittels Schließelement-Stanznieten“ wurde unter der Fördernummer AiF 17597N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 411 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
To reduce weight in car bodies the latest developments focus on innovative lightweight solutions. The multi material design with steels with different strengths in combination with aluminum, other metallic lightweight materials and fiber-reinforced plastic (FRP) shows a big potential for significant weight reduction. To connect different material types usually hybrid joining methods are used, which combine the advantages of mechanical and adhesive joining [Kel05].
However, joining of metals with FRP is a challenge for established joining technologies. Due to the lack of ductility of FRP only those self-piercing joining technologies can be used, which require the placement of the FRP on the punch side. Current state of the art applications that require a die sided placement of FRP can only be realized by using technologies, which need a pre-hole, such as blind rivets or lockbolt systems.
The aim of this research project was to develop a novel joining method, which allows the self-pierced joining of metals with FRP and a placement of the fiber-plastic composite on the die side. For this purpose, the solid self-pierced rivet process was modified by using a die side arranged auxiliary joining part, which serves as a closing plate, enabling a sufficiently good formability for the mechanical joining process. Moreover, the closing plate is also acting as a cutting tool during the punching step, why the closing plate material has to be wisely chosen.
In order to achieve the objective of the project, various types of closing plates were developed and optimized with an influence factor analysis. With custom process parameters a stable process was generated, which can solve the joining task described above. On the one hand the feasibility of the method was demonstrated. On the other hand it could be shown by using mechanical, quasi-static tests that sufficient joint strengths can be achieved with the solid self-piercing rivet with a closing plate. Only minor damage to the FRP caused by the joining process was observed. However, the corrosion properties of such joints are still a challenge for future research.
The aim of the project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Forschung und Zielsetzung
2.1 CFK-Werkstoff
2.1.1 Definition und Grundlagen
2.1.2 Eigenschaften von FKV
2.1.3 Bruchgeschehen in Laminaten
2.2 Mechanische Fügetechnik
2.2.1 (Voll)Stanznieten
2.2.2 Stanznietverfahren mit Schließelementen
2.2.3 Schließelement-Stanznieten
3 Füge- und Prüfeinrichtungen
3.1 Tox – Vollstanznietanlage
3.2 Olympus MX2 Ultraschallprüfgerät
3.3 Zwick Z 100
3.4 Korrosionskammer Liebisch® Labortechnik, Typ: SKB1000 A-TR
3.5 Rasterelektronenmikroskop
3.6 Fräsportal
4 Versuchswerkstoffe, Hilfsfügeelemente, Probengeometrien
4.1 Metallische Fügeteilwerkstoffe
4.1.1 EN AW-6181
4.1.2 HC340LA
4.2 Schließelementwerkstoffe
4.2.1 Aluminiumlegierung EN AW-6060 T66
4.2.2 Automatenstahl 1.0715
4.2.3 Nichtrostender Stahl 1.4305
4.3 Faserkunststoffverbunde
4.3.1 Faserkunststoffverbunde mit thermoplastischer Matrix
4.3.2 Faserkunststoffverbunde mit duroplastischer Matrix
4.4 Klebstoffe
4.5 Hilfsfügeelemente
4.5.1 Vollstanzniete
4.5.2 Schließelemente
4.6 Probengeometrien
4.6.1 Scherzugprobe
4.6.2 LWF-KS2,5-Probe
5 Simulation
5.1 Geometrie
5.2 Werkstoffdaten
5.3 Reibung
5.4 Kinematik
5.5 Kontakt
5.6 Vernetzung
6 Verfahrensentwicklung und Optimierung
6.1 Lochdurchmesser
6.2 Matrizen und Prozessparameter
6.3 Schließelement-Werkstoff
6.4 Stempelseitige Anordnung von EN AW-6181 T4
6.5 Optimierung der Schneidengeometrie
6.6 Optimierung der Schließelement-Abmaße
6.6.1 Validierung des Simulationsmodells
6.6.2 Optimierung mittels Simulation
6.7 Kombination mit dem Kleben
7 Tragfähigkeitsuntersuchungen
7.1 Scherzugprüfung
7.1.1 Matrizenseitig angeordnetes CF-PA66
7.1.2 Matrizenseitig angeordnetes CF-EP
7.2 Kopfzugprüfung
7.2.1 Matrizenseitig angeordnetes CF-PA66
7.2.2 Matrizenseitig angeordnetes CF-EP
8 Untersuchungen zum Hybridfügen
8.1 Elementar geklebte Verbindungen
8.1.1 Scherzugprüfung
8.1.2 Kopfzugprüfung
8.2 Hybrid gefügte Verbindungen
8.2.1 Scherzugprüfung
8.2.2 Kopfzugprüfung
8.3 Vergleich der Tragfähigkeit geklebter und hybrid gefügter Verbindungen
8.3.1 Scherzugprüfung
8.3.2 Kopfzugprüfung
9 Korrosionsuntersuchungen
9.1 Prüfvariation und Versuchsmatrix
9.2 Schließelementwerkstoff 1.0715
9.3 Schließelementwerkstoff 1.4305
9.4 Schließelementwerkstoff EN AW-6060, abgedichtete Verbindungen und Blindnietverbindungen
9.5 Schliffbilduntersuchung nach sechswöchigem Klimawechseltest
9.6 Untersuchungen mittels Rasterelekronenmikroskop
10 Untersuchung der fügebedingten Laminatschädigung
10.1 Methode
10.2 Stufenschliffe
10.2.1 HC340LA/CF-PA66/1.4305
10.2.2 HC340LA/CF-EP/1.4305ESK
10.3 Ultraschallprüfung
11 Fertigungs- und Anwendungshinweise
11.1 Anlagenkonzept
11.2 Anwendungshinweise
11.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
12 Ergebnisse
13 Abbildungsverzeichnis
14 Tabellenverzeichnis
15 Literaturverzeichnis
Patent- sowie Offenlegungsschriften und Normen
