Falzen von Baugruppen aus FVK und Metall
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dirk Landgrebe, Dipl.-Ing. Sandra Menzel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz - Prof. Dr. rer. nat. Bernd Mayer, Paul Bußkamp, Anja Zockoll, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Bremen
152 Seiten - 78,00 EUR (sw, 116 teils farbige Abb., 18 Tab.)
ISBN 978-3-86776-496-4
Zusammenfassung
Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen leisten in der Automobilindustrie einen wichtigen Beitrag zur Verringerung des Fahrzeuggewichtes. Eine Herausforderung ist das werkstoffgerechte Fügen dieser hybriden Mischstrukturen. Es gilt, ein Unterbrechen bzw. Verletzen der Faserverläufe zu vermeiden, die Kräfte im Fügebereich möglichst homogen einzuleiten, eine ausreichende Außenhautqualität zu gewährleisten und die korrosionstechnischen Anforderungen - speziell beim Fügen von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen mit Metallen - zu erfüllen.
Dieses Forschungsvorhaben untersuchte die Verbindung eines CFK-Strukturbauteils mit einem metallischen Außenhautteil durch das Fügeverfahren Falzkleben. Eine solche hybride FVK-Metall-Baugruppe kombiniert die herausragenden Eigenschaften beider Werkstoffe im Verbund, während das Falzkleben eine optimale Anbindung gewährleistet. Die Einbettung des Fügeprozesses in die bestehenden Prozessketten und Nutzung der vorhandenen Anlagentechnik zur Herstellung automobiler Anbauteile bei OEM und Zulieferern versprechen eine schnelle Umsetzbarkeit der Ergebnisse. Den genannten Vorteilen stehen neuartige Herausforderungen gegenüber, welche sowohl aus der Fertigungsprozesskette als auch aus den Einsatzbedingungen und werkstoffspezifischen Eigenschaften resultieren. Im Rahmen des Projektes wurden folgende Fragestellungen untersucht:
Fügeprozess: Entsprechend der festgelegten Werkstoffe und Prozessrandbedingungen erfolgte die Auswahl geeigneter Falzklebstoffe. Diese wurden sowohl in situ als auch im Falzklebverbund untersucht und charakterisiert. Das Falzkleben von Stahl-CFK- und Aluminium-CFK-Baugruppen wurde an verschiedenen Modellgeometrien mittels werkzeuggebundenem Falzen und Rollfalzen untersucht. Dabei wurde das Falzergebnis bewertet sowie das CFK-Innenteil auf mögliche Schädigungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die im Falzprozess wirkenden Kräfte keine Strukturschädigungen im CFK auftreten.
Thermische Beanspruchung: Wird das Falzkleben der hybriden Baugruppe in der gängigen Prozesskette realisiert, erfolgen im anschließenden Lackprozess Temperierungen bis max. 200°C. Hierbei kommt es zur sog. Delta-Alpha-Problematik, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des FVK-Innenteils sich wesentlich von dem des metallischen Außenteils unterscheidet, was bei der Erwärmung und Abkühlung zu Relativbewegungen führt. Die Ausdehnung der Einzelteile, die Relativbewegungen im Verbund sowie der nach der Klebstoffaushärtung auftretende Verzug der Baugruppen wurden erfasst und bewertet.
Zudem erfolgte die Beschreibung der Vorgänge im Ofen und Prognose des Verzugs mittels numerischer Simulation. Anschließend wurden verschiedene konstruktive Maßnahmen untersucht, um den Verzug der Falzbaugruppen zu verringern.
Verbindungseigenschaften: Die Festigkeit der CFK-Metall-Falzklebverbindungen wurde in Schälversuchen und 3-Punkt-Biegeversuchen ermittelt und bewertet.
Im 3-Punkt-Biegeversuch konnte nachgewiesen werden, dass die Falzklebverbindung auch bei großen Probenverformungen nicht versagt und für die Baugruppe somit keine Schwachstelle darstellt. Das Korrosionsverhalten der hybriden Baugruppen wurde im VDA-Wechseltest untersucht. Zusätzlich wurden Untersuchungen zur Klebstoffdegradation durchgeführt und mit Hilfe der Kupferabscheidung kritische Bereiche in der Falzverbindung identifiziert. Die Korrosionsuntersuchungen zeigen, dass sich die auftretenden Korrosionserscheinungen mit Unterwanderung des Klebstoffes am metallischen Fügepartner oder Fehlstellen bzw. kritischen Bereichen im Falz korrelieren lassen. Zusammenfassend konnte festgestellt werden, dass sich die wesentlichen Ursachen für Korrosion im Falz durch eine geeignete Klebstoffauswahl und Optimierung des Falzprozesses vermeiden lassen.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Falzen von Baugruppen aus FVK und Metall" wurde unter der Fördernummer AiF 17920BG 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 Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 447 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Components made of fiber-reinforced plastics make an important contribution to reducing vehicle weight in the automotive industry. Recent developments show an increasing industrial interest in integrating fiber-reinforced plastics in existing metal structures. One challenge is the appropriate joining of these hybrid structures. It is important to avoid interrupting or damaging of the fiber flows, to take the forces in the joining area as homogeneous as possible, to ensure sufficient skin quality and to meet corrosion-technical requirements - especially when joining carbon fiber reinforced plastics with metals.
This research project examined the joining of an CFRP structural component with a metallic outer skin part by hem flange bonding. Such hybrid FRP-metal assembly combines the outstanding properties of both materials in the composite, while the hem flange bonding ensures optimum connectivity. The embedding of the joining process in the existing process chains and the use of existing plant technology for the production of automobile hang on parts among OEMs and suppliers promise a rapid implementation of the results. The advantages mentioned are facing new challenges resulting from both the manufacturing process chain as well as from the operating conditions and material-specific properties. Within the project the following issues were examined:
Joining process: According to the specified materials and process boundary conditions, suitable adhesives were chosen. These have been studied and characterized both in situ and in the hem flange. The hem flange bonding of steel-CFRP and aluminum-CFRP assemblies was studied in different model geometries using tabletop hemming and roller hemming. Here, the hemming result was evaluated and the CFRP inner part was examined for possible damage.
The results show that the forces during the hemming process do not lead to any structural damage in the CFRP.
Thermal stress: If the hem flange bonding of the hybrid assembly is implemented in the common process chain, there are heatings up to 200 ° C in the subsequent coating process. This results in the so-called delta-apha-problem because the coefficient of thermal expansion of the outer metal part is significantly higher than the FRP inner part, resulting in relative movements during heating and cooling of the assembly. The expansion of the parts, the relative movements in the composite and the warpage occurring after the adhesive curing were recorded and evaluated. In addition, the description of the processes in the furnace as well as forecasts of warpage were carried out by numerical simulation. Then constructive measures were examined in order to reduce the warpage of hem flange bonded hybrid assemblies.
Joint properties: The strength of the bonded CFRP-metal hem flanges was determined and evaluated in peel tests and 3-point bending tests. In 3-point bending test it was proved that the hem flange not fails even for large sample deformation. The corrosion of metal-CFRP hybrid assemblies is essentially affected by disbonding of adhesive at metal surface and defects or critical areas in the hem flange. Good corrosion protection performance could be achieved by optimization of hemming parameters and selection of suitable adhesives.
The goal of this research project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Summary
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Ausgangssituation
3 Stand der Technik
3.1 Faserverstärkte Kunststoffe
3.2 Falzen und Falzkleben
3.2.1 Falzen
3.2.2 Falzkleben
3.2.3 Falzklebstoffe
3.3 Hybride Baugruppen
3.3.1 Fügen von FVK-Metall-Verbunden in der automobilen Prozesskette
3.3.2 Korrosion
4 Zielstellung und Herangehensweise
4.1 Forschungsziel und angestrebte Forschungsergebnisse
4.2 Methodisches Vorgehen zum Erreichen des Forschungsziels
5 Fügeteile und Fertigungsprozess
5.1 Materialauswahl
5.2 Konstruktion der Modellgeometrien für Falzuntersuchungen
5.3 Einzelteilherstellung
6 Anforderungen und Prozesskette
6.1 Prozesskette Falzen bis Lack
6.2 Anforderungen an die Baugruppeneigenschaften
6.3 Prüfszenarien und Prüfkörpergeometrien
6.3.1 Prüfung der mechanischen Verbindungseigenschaften
6.3.2 Benchmarktests
6.3.3 Korrosionsuntersuchungen
7 Prozessentwicklung CFK-Bauteilfertigung
7.1 Definition der Anforderungen
7.2 Auswahl und Charakterisierung eines Matrixharzes
7.3 Auswahl und Festlegung der verwendeten Faserhalbzeuge
7.4 Thermomechanische Analyse des Faserverbundes
7.5 Trennmittelqualifizierung
7.5.1 Trennmittelauswahl
7.5.2 Trennmittelfreiprüfung
7.5.3 Festlegung Trennmittel
7.5.4 Oberflächenanalytik des CFK mittels XPS
7.5.5 Voruntersuchung zur Trennmittelqualifizierung
7.6 Konstruktion und Fertigung der RTM Werkzeuge
7.7 Entwicklung der RTM Prozesse
7.7.1 Preformprozess
7.7.2 RTM-Prozess CFK-Innenteil FBG 1
7.7.3 RTM-Prozess CFK-Innenteil FBG 2
7.7.4 RTM-Prozess CFK-Plattenmaterialien zur Klebstoffcharakterisierung
8 Klebstoffauswahl
8.1 Prozessbedingte Anforderungen
8.2 Ausgewählte Klebstoffsysteme
8.3 Qualifizierung der Klebstoffsysteme
8.3.1 Ermittlung der Reaktionskinetik mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie
8.3.2 Chemisch und thermisch überlagerter Härtungsschrumpf
8.3.3 Bestimmen der Glasübergänge mittels dynamisch mechanischer Analyse
8.3.4 Spannungs- und Dehnungsverhalten an Substanzproben
8.3.5 Charakterisierung des Klebstoff-Haftvermögens
9 Falzprozess linearer Falz
9.1 Falzen und Falzkleben der FBG 1
9.1.1 Werkzeuggebundenes Falzen
9.1.2 Rollfalzen
9.2 FE-Simulation Falzprozess
9.2.1 Geometrien und Kinematiken
9.2.2 Materialmodell
9.2.3 Berechnungsumgebung
9.2.4 Ergebnis und Bewertung
10 Mechanische Prüfung
10.1 Schälversuche
10.2 3-Punkt-Biegeversuche
11 Korrosion
11.1 Klebstoffdegradation
11.1.1 Zugscherfestigkeit nach PV1200
11.1.2 Schälversuche nach PV 1200
11.2 Identifizierung kritischer Bereiche im Verbund
11.3 Korrosionsprüfung
11.3.1 CFK-Aluminium
11.3.2 CFK-Stahl Falzen
11.3.3 Vermeidung kritischer Bereiche im Falz
11.4 Zusammenfassung und Handlungsempfehlungen
12 Falzkleben bauteilähnliche Geometrie
12.1 Falzvorrichtung
12.2 Rollfalzen der FBG 2
13 Delta-Alpha-Problematik
13.1 Ofenprozess und Bewertung des Verzugs
13.1.1 Geometrien und Materialmodelle
13.1.2 Berechnungsumgebung
13.1.3 Simulationsablauf und Rahmenbedingungen
13.1.4 Ergebnis und Bewertung
13.2 Kompensationsmaßnahmen zur Delta-Alpha-Problematik
14 Falzkleben Musterbauteil
15 Merksätze
15.1 Falzklebprozess
15.2 Thermische Beanspruchung
15.3 Verbindungseigenschaften Falzklebung
16 Projektergebnisse und Ausblick
17 Projektauswertung
17.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse
18 Literatur
