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EFB-Forschungsbericht Nr. 417

Bauweisenkonzepte und Auslegung von Krafteinleitungsbereichen bei Hybridstrukturen aus Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden im Fahrzeugbau

efb417Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Lothar Kroll, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nendel, Dr.-Ing. Holger Seidlitz, Colin Gerstenberger M.Sc., Tomasz Osiecki M.Eng, Institut für Strukturleichtbau der Technischen Universität Chemnitz

184 Seiten - 72,00 EUR (sw, 34 teils farbige Abb., 25 Tab.)
ISBN 978-3-86776-463-6

 

Zusammenfassung

Als Teil des DFG/AiF-Clusters „Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff / Metall-Verbunden" erfolgte im AiF-Projekt 17688 BR/1 die methodische Entwicklung von großserientauglichen Bauweisenkonzepten für Hybridstrukturen aus thermoplastbasierten Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden (FK/M-Verbunden) im Fahrzeugbau sowie die Erarbeitung von belastungsgerechten Krafteinlei-tungsbereichen zur Integration der neuartigen Bauteile in metallische Strukturen. Die Pro-jektergebnisse wurden in Form von drei generischen Technologiedemonstratoren am Beispiel von hybriden Pkw-Dachquerträgern veranschaulicht. Dabei wurden zwei Demonstratoren aus FK/M-Verbunden mit Stahl- (HC220Y+ZE, t = 0,25 mm) bzw. Aluminiumdeckschichten (EN AW 5182, t = 0,2 mm) und ein Faser-Kunststoff-Verbund-Dachquerträger (Kohlenstofffaserverstärktes Polyamid 6) mit metallischen Lasteinleitungselementen (HC260LAD+Z100 bzw. AA5754-W, t = 1,0 mm) konzipiert.

Im Vergleich zu einer Referenzgeometrie in Stahlbauweise (t = 1,0 mm) konnte bei ver-gleichbaren Steifigkeitseigenschaften eine Masseeinsparung von bis zu 55% mit FK/M-Verbunden und etwa 64% in Faser-Kunststoff-Verbundbauweise prognostiziert werden. Die simulativ ermittelten Ergebnisse werden in Teilprojekt 5 des Clusters experimentell validiert.

Im Hinblick auf eine werkstoffgerechte Anbindung der stark anisotropen Bauteile an metallische Grundstrukturen wurden Untersuchungen zum Thermomechanischen Ausformfügeverfahren (TAF) und dem Kleben mittels 2K-Epoxid- und 2K-Polyurethanklebstoffen durchgeführt. Anders als bei etablierten Verfahren aus dem Metallbau, wie dem Nieten, Clinchen oder Schrauben, die auf spanend gebohrten Durchgangslöchern im Faser-Kunststoff-Verbund oder Fügeelementen mit Schneidanteil basieren, findet bei den untersuchten Verfahren keine Schädigung der Faserstruktur statt.

Die Ergebnisse aus Kopf- und Scherzugversuchen nach DIN EN ISO 14272 und DIN EN ISO 14273 zeigen eine prinzipielle Eignung des TAF-Verfahrens, sowohl für die Verbindung von FK/M-Hybridlaminaten, als auch FKV mit Metall. In Zugscherprüfungen nach DIN EN 1465 wurde der Einfluss verschiedener Vorbehandlungsmaßnahmen auf die Haftfestigkeit der geklebten Zugscherproben ermittelt. Dabei erwies sich insbesondere die Kombination aus Korundstrahlen und Beflammen mittels Flammenpyrolyse als zielführend.

Nach Ermittlung der benötigten Kennwerte wurde eine Simulations- und Auslegungsstrategie für kraftflussgerechte Fügepunkte am Beispiel von thermomechanisch gefügten Verbindungen vorgestellt. Aufgrund der anisotropiespezifischen, inhomogenen dreidimensionalen Spannungszustände in der Umgebung von FKV-Fügezonen wird eine schnittreaktionsbezogene Methodik zur Auslegung von FK/M-Fügezonen empfohlen. In Verbindung mit einer entsprechenden Versagenshypothese erlaubt diese auf Basis von einfachen Fügepunkt-Ersatzmodellen eine einfache ingenieurmäßige Analyse des Fügepunktversagens durch Auslesen der Schnittreaktionen.

Des Weiteren wurden in Zusammenarbeit mit TP5 zwei Prozessvarianten zur fertigungs-technischen Umsetzung der hybriden Dachquerträger aufgestellt. In ersten Vorversuchen konnte daran bereits die Herstellung erster Demonstratoren erfolgreich durchgeführt wer-den, die im Rahmen des 35. EFB-Kolloquiums am 25.03.2015 in Bad Boll sowie im EFB-Arbeitskreis Hybride Strukturen am 21.01.2015 in Dresden und 17.06.2015 in Rostock vorgestellt wurden.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Bauweisenkonzepte und Auslegung von Krafteinleitungsbereichen bei Hybridstrukturen aus Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden im Fahrzeugbau" wurde im Rahmen des AiF/DFG-Clusters „Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden" unter der Fördernummer AiF 17688BR/1 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 (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 417 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

As a part of the DFG/AiF-Cluster "Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden" the AiF-Project 17688 BR/1 carried out a methodical development of design-concepts for hybrid automotive structures, based on laminates made of continuous fiber reinforced thermoplastics (FRP) and thin metal sheets. In addition to this, an investigation of load adjusted joining areas was performed to generate concepts for a suitable integration of the new components in metallic structures. The project results were illustrated in the form of three generic technology demonstrators using the example of hybrid roof cross members. Thereby two demonstrators were made of continuous carbon fiber reinforced polyamide 6 (PA6) with steel (HC220Y+ZE, t = 0,25 mm) or aluminum (EN AW 5182, t = 0,2 mm) top layers. The third option was made from carbon fiber reinforced PA6 with metallic load transfer elements (HC260LAD+Z100 bzw. AA5754-W, t = 1,0 mm). Compared to a reference geometry with comparable stiffness (HC260LAD, t = 1,0 mm) a mass reduction of up to 55% (FRP/metal-laminate) and about 64% (FRP) was forecasted. The results obtained by simulation are validated experimentally in subproject 5 of the cluster.

To meet the requirements of the highly anisotropic materials regarding joining issues, two material adapted joining technologies (Flow Drill Joining (FDJ) Concept and adhesive bonding) were examined. Unlike the established joining methods, such as riveting, clinching or screwing, that are based on drilled holes or joining elements with cutting edges, the FDJ and adhesive bonding operations do not damage the fiber structure of the FRP-components.

The results from the tests in accordance with DIN EN ISO 14272 and DIN EN ISO 14273 show a suitability of the FDJ process for the joining of FRP/metal-laminates and FRP with metals. In tensile shear tests in accordance with DIN EN 1465, the influence of various pre-treatments on the adherence of the two-component epoxy and polyurethane adhesives were determined. The findings prove a significant impact of pre-treatment, whereby a combination of sand blasting and flame pyrolysis shows the best results.

After the determination of the required characteristics a simulation and design strategy for the dimensioning of force flux aligned joints was introduced by the example of FDJ-joints. Due to the anisotropy-specific, three-dimensional inhomogeneous stress states in the FRP-joining zones, a section-force related strategy is recommended. In conjunction with a corresponding failure criterion the method allows a simple and efficient appraisal of joint failure by analyzing the sectional forces.

Furthermore, two process variants for the manufacturing of hybrid roof cross members were elaborated in collaboration with subproject 5. First preliminary tests show the successful manufacturing of demonstrators, that were shown during the 35th EFB-Colloquium on March 23rd 2015 in Bad Boll.
The aims of the research project were achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Problemstellung und Zielsetzung
2.1 Gesamtcluster
2.2 Teilprojekt 1
3 Stand der Technik
3.1 Mischbaukonzepte in der Großserie
3.2 Thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbunde
3.2.1 Aufbau
3.2.2 Herstellung
3.2.3 Verarbeitung
3.3 Fügeverfahren für Faser-Kunststoff/Metall-Strukturen
3.3.1 Anforderungen und Besonderheiten
3.3.2 Kleben
3.3.3 Schrauben
3.3.4 Nieten
3.3.5 Ultraschall- und Induktionsschweißen
3.3.6 Clinchen
3.3.7 Reibelementschweißen
3.3.8 Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen
3.3.9 Thermomechanisches Ausformfügen
3.4 Bewertung zum Stand der Technik
4 Bauweisenkonzepte für Faser-Kunststoff/Metall- Verbunde im Fahrzeugbau
4.1 Anforderungen
4.2 Konzeptentwicklung
4.2.1 Hybridlaminat-Dachquerträger
4.2.2 Faser-Kunststoff-Verbund-Dachquerträger
5 Dimensionierung von Hybridstrukturen aus Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden
5.1 Materialkennwerte
5.2 Finite-Elemente-Modell
5.3 Resultierende Verbundaufbauten
5.3.1 HC220Y+ZE
5.3.2 EN AW 5182
5.3.3 PA-6-CF60
6 Konzepte zur Krafteinleitung bei Hybridstrukturen aus Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden
6.1 Anforderungen
6.2 Konzeptentwicklung
6.2.1 Vorbetrachtungen
6.2.2 Hybridlaminat-Dachquerträger
6.2.3 Faser-Kunststoff-Verbund-Dachquerträger
7 Experimentelle Untersuchungen zum Fügen von Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden mit Metall
7.1 Vorbetrachtung
7.2 Thermomechanisches Ausformfügen
7.2.1 Parameterstudien
7.2.2 Mechanische Prüfung
7.3 Versuchsauswertung
8 Experimentelle Untersuchungen zum Fügen von Faser-Kunststoff-Verbunden mit Metall
8.1 Vorbetrachtung
8.2 Kleben
8.2.1 Oberflächenvorbehandlung
8.2.2 Kontaktwinkelmessung
8.2.3 Zugscherprüfung
8.2.4 Interlaminare Scherfestigkeit
8.3 Thermomechanisches Ausformfügen
8.4 Versuchsauswertung
9 Analyse von Krafteinleitungszonen bei Faser- Kunststoff-Verbund/ Metall-Strukturen
9.1 Dimensionierung von punktförmigen Krafteinleitungszonen für thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbunde
9.2 Finite-Elemente-Analyse von TAF-Verbindungen
9.2.1 Vorbetrachtung
9.2.2 Modellierung eines Fügepunkt-Ersatzmodells
9.2.3 Numerische Auswertung fügepunktimmanenter Schnittreaktionen
10 Fertigungskonzepte für einstufige serientaugliche Herstellungstechnologien
11 Ergebnisse und Ausblick
12 Projektauswertung
12.1 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens
13 Literatur
14 Anlagen

 

 


 

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