Ressourcenschonende, stromleitende Verbindungen für die Energiewende (Ampere-Clinch)

Projektbeschreibung des Gesamtprojekts

Metallographische Querschliffe von Clinchverbindungen aus unterschiedlichen Werkstoffkombinationen

Im Fokus grüner Energietechnik und Mobilität werden stromleitende Fügeverbindungen unter Verwendung recycelter Werkstoffe zu einem Kernthema der Energiewende. Die Energiekrise erfordert Verfahren, die durch geringe Investions und Betriebskosten langzeitbeständige Kontaktierungen elektrischer Leiter herstellen können. Zusätzlich muss unter dem Aspekt der Ressourcenknappheit vermehrt auch der Einsatz recycelter Werkstoffe (Sekundärwerkstoffe) sowie Mischverbindungen leitfähiger Werkstoffe in den Fokus rücken.
KMU stehen hier aktuell vor dem Problem, dass der Einsatz alternativer Fügeverfahren und Werkstoff(-kombinationen) nicht möglich ist, da Erfahrungen und wissenschaftlich validierte Verfahren fehlen, um die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der neuen Fügeverbindungen einschätzen zu können. Gerade KMU können an dieser Stelle oft die dazu notwendigen finanziellen Mittel nicht aufbringen und sind auf vorwettbewerbliche Forschung angewiesen.
Innerhalb des Forschungsvorhabens sollen deshalb die stromleitenden Eigenschaften von Clinchverbindungen aus Kupfer, Aluminium und deren Mischverbindungen aus Primär und Sekundär-Werkstoffen untersucht und qualifiziert werden. Im Gegensatz zu anderen Fügeverfahren entsteht durch den Kaltumformprozess des Clinchens kein markanter Wärmeeintrag, es werden keine zusätzlichen Hilfsmittel und keine Hilfsfügeteile benötigt. In Industrie und Literatur ist der Kaltumformprozess zudem für seine festigkeitssteigernde Wirkung bekannt, weshalb das Verfahren auch für andere Bauteile verwendet wird und die Forschungsergebnisse so auf viele Industriebereiche übertragbar sind. Die Charakterisierung der statischen und zyklischen Festigkeit sowie der elektrischen Eigenschaften der Primär- und Sekundär-Werkstoffe und Verbindungen ermöglichen KMU und der Großindustrie die Anwendung in Bereichen der E-Mobilität, der Energiespeichertechnik, der Photovoltaik oder auch der Gebäudetechnik (Solaranlagen).

Die Ziele des Forschungsvorhabens sind:

• Charakterisierung von Aluminium und Kupfer als Primär- und Sekundärwerkstoffe unter mechanischer und elektrischer Belastung
• Untersuchung des Einflusses der (Kalt-)Umformung und des Stromflusses auf die Festigkeit von Werkstoffen und Bauteilen
• Aufbau einfacher Bewertungskonzepte für den industriellen Anwender von Clinchverbindungen aus Kupfer, Aluminium und Kupfer-Aluminium-Mischverbindungen
• Formulierung und Dokumentation von konkreten Anwendungsempfehlungen für den
• Einsatz des Clinchens bei stromleitenden Verbindungen

Teilprojekt 1: Clinchbarkeit Al- und Cu-basierter Leiterwerkstoffe

Das Forschungsziel von Teilprojekt 1 liegt in der Qualifizierung von Clinchverbindungen aus primären und sekundären Al- und Cu-Werkstoffen für den Einsatz in stromleitenden Bauteilen unter Berücksichtigung einer zyklischen, mechanischen Beanspruchung.
Als Ergebnis der Untersuchungen soll eine Anwenderempfehlung für die Nutzung des Clinchens bei stromleitenden Verbindungen mit Leitern aus Kupfer- und Aluminium erstellt werden. Darin soll eindeutig hervorgehen, welche Prozessparameter beim Clinchen zu reproduzierbaren und belastbaren Fügepunkten führen, die zudem eine hohe Güte in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften aufweisen. In Verbindung mit dem zweiten Teilprojekt wird zudem ein simulationsgestütztes Lebensdauer-Vorhersagemodell erarbeitet, mit dem die Clinchpunkte bzw. gefügten Komponenten sicher ausgelegt werden können.

Teilprojekt 2: Ermüdungsfestigkeitsbewertung von Clinchverbindungen

Das Ziel des 2. Teilprojekts liegt in der Qualifizierung von Clinchverbindungen aus recycelten Materialien als stromleitende Verbindungstechnik im Zeichen der Energiewende unter dem Aspekt der Ermüdungsfestigkeit.
Bei der Bewertung der Ermüdungsfestigkeit stromführender Komponenten sind sowohl mechanische als auch elektrische Ausfallkriterien relevant. Die Bauteilfestigkeit ist dabei abhängig vom Umformgrad, der eingesetzten Materialkombination sowie von der Temperaturentwicklung infolge des Stromdurchflusses. Analog zur FKM-Richtlinie können diese Einflüsse im Betriebsfestigkeitskonzept gesondert betrachtet und so anwendergerecht aufbereitet werden, wenn eine ausreichend große Datenbasis vorhanden ist.