EFB-Forschungsbericht Nr. 396

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Hochgeschwindigkeitsblindnieten ohne Vorloch

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Dipl.-Wirt.-Ing. Philipp Nagel, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

120 Seiten - 69,00 EUR (sw, 74 teils farbige Abb., 32 Tab.)
ISBN 978-3-86776-440-7

 

Zusammenfassung

Die konventionellen thermischen Fügeverfahren kommen bei der Umsetzung innovativer Leichtbaukonzepte immer mehr an ihre Grenzen. Der Grund dafür ist die in modernen Automobilkarosserien zunehmend eingesetzte Mischbauweise aus artverschiedenen Werkstoffen, welche durch mechanische Fügeverfahren und Kleben verbunden werden. Zur Erzielung möglichst crashsicherer und biegesteifer Karosseriekonstruktionen wird hierbei unter anderem eine schalen- und profilintensive Bauweise verwendet, welche häufig eine nur einseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle aufweist. Eine Technologie, die das Fügen artverschiedener Werkstoffe bei einer nur einseitigen Zugänglichkeit zur Fügestelle ermöglicht, ist das Blindnieten. Das Blindnieten weist jedoch einige technologische Nachteile auf. Beispielsweise müssen Vorlöcher in die Fügeteile eingebracht werden. Weitere Nachteile sind die notwendige exakte Positionierung der Vorlöcher und Bauteile zueinander sowie die Findung der Vorlöcher durch robotergeführte Fügesysteme.

Ziel des Forschungsprojektes ist es daher, das Fügeverfahren Hochgeschwindigkeitsblindnieten ohne Vorlochen zu entwickeln und seine Tauglichkeit für den Einsatz in unterschiedlichen industriellen Bereichen zu erforschen und zu erproben. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden im Projekt verschiedene Typen von vorlochfreien Blindnieten im Rahmen einer Einflussgrößenanalyse entwickelt und optimiert. Die jeweils geeigneten Elemente wurden ausgewählt und das mechanische Eigenschaftsprofil im Vergleich mit den ebenfalls einseitig arbeitenden Fügeverfahren Blindnieten und Bolzensetzen ermittelt. Die industrielle Herstellbarkeit von Hochgeschwindigkeitsblindnieten konnte durch die Herstellung eines Prototypen durch die Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG demonstriert werden.

In der Summe konnte mit den Untersuchungen gezeigt werden, dass das Fügeverfahren Hochgeschwindigkeitsblindnieten ohne Vorlochen umsetzbar ist. Der Nutzen des Verfahren ist in der Einsparung der Vorlochoperation, der Prozesszeitreduzierung gegenüber der Standard-Blindniete und der einfachen Überwachung der Verbindungsqualität begründet.

Für die Kombination der Prozessschritte „Niet eintreiben“ und „Niet umformen“ wurden Anlagenkonzepte entwickelt und die Wirtschaftlichkeit dieser neuartigen Fügetechnologie für unterschiedliche Einsatzszenarien im Vergleich zum Bolzensetzen und Blindnieten bewertet. Abschließend wurden Konstruktions- und Fertigungshinweise erarbeitet, welche Anwendern und Systemherstellern eine Hilfe bei der Umsetzung der Technologie in die industrielle Praxis sein werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Hochgeschwindigkeitsblindnieten ohne Vorloch“ wurde unter der Fördernummer AiF 16615N 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. 396 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The implementation of innovative, lightweight design continues to stretch the conventional thermal joining processes to their limits. For this reason mixed construction of different types of material are frequently used in modern car bodies, which are connected by mechanical joining processes and bonding. To achieve a safe crash and more rigid carbody a shell and a tube intensive design is used which frequently have only single-sided access to the joint. A technology that enables the joining of dissimilar materials with only a single-sided accessibility to the joint is blind riveting. The technology of blind riveting has some technological disadvantages. For example a pilot hole must be introduced by drilling into the joining parts. Further disadvantages are the exact positioning of the pilot holes and components to each other as well as the finding of pilot holes through robot guided systems.

The aim of the research project is therefore to develop the joining process high-speed riveting without pilot hole and explore and test its suitability in various industrial applications. To achieve this aim in the project different kind of high-speed rivets have been developed and optimized in an influence and factor analysis. The adequate joining element have been selected and the profile of mechanical properties was determined as compared to the equally one-sided working joining method blind riveting and high speed joining. The manufacturing of high-speed blind rivets could be demonstrated by the production of a prototype by the Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG.

With the investigations it could be shown that joining process of high-speed blind riveting without a pilot hole can be implemented. The benefit of the method is due to the reduction of preparing of the pilot hole, the process time reduction as compared to standard blind rivets and the simple monitoring of the joint quality.

For the combination of the process steps "setting of the rivet" and "forming of the rivet” new system concepts were developed. Furthermore the cost-effectiveness of this new joining technology for different application scenarios was evaluated as compared to high speed joining and blind riveting. Finally, design and production references were developed, which users and system manufacturers are an aid in the implementation of technology for the industrial practice. The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen und Formelzeichen
Abkürzungen
Formelzeichen
1    Einleitung
2    Stand der Forschung und Zielsetzung
2.1    Fügeverfahren bei einseitiger Zugänglichkeit zur Fügestelle
2.2    Bolzensetzen
2.3    Blindnieten
2.4    Hochgeschwindigkeitsblindnieten
3    Füge- und Prüfeinrichtungen
3.1    Fügeeinrichtungen
3.1.1    Bolzensetzanlage
3.1.2    Blindnietsetzgerät
3.1.3    Prototyp eines Setzgerät zum Eintreiben von Hochgeschwindigkeitsblindnieten, Mosquito Setzgerät
3.2    Prüfeinrichtungen
3.2.1    Prüfeinrichtungen zur Ermittlung quasistatischer Kennwerte
3.2.2    Prüfeinrichtungen zur Ermittlung zyklischer Kennwerte
3.2.3    Prüfeinrichtungen zur Ermittlung der Blechdeformationen
3.2.4    Prüfeinrichtungen zur Ermittlung des Korrosionsverhaltens
3.3    Probengeometrien
3.3.1    Blechzuschnitte zur Deformationsmessung und Bemusterung
3.3.2    Kopfzugprobe
3.3.3    Scherzugprobe
3.3.4    Mehrelementprobe
3.3.5    Bauteilähnliche Probengeometrien
4    Versuchswerkstoffe und Hilfsfügeelemente
4.1    Versuchswerkstoffe
4.1.1    Aluminiumwerkstoffe
4.1.2    Stahlwerkstoffe
4.1.3    Klebstoffe
4.2    Hilfsfügeelemente und Elemententwicklung
4.2.1    Setzbolzen
4.2.2    Blindniete
4.2.3    Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsblindniete
4.2.4    Seriennaher Prototyp eines Hochgeschwindigkeitsblindniets
5    Einflussgrößenanalyse
5.1    Einfluss der Spitzengeometrie auf die Vorlocheinbringung
5.2    Einfluss der Nietform auf die Verbindungsausbildung
5.3    Fügbarkeit und Verbindungsausprägung
5.4    Einfluss der Elementgestaltung auf die Festigkeit
5.5    Einfluss der Niethülsenlänge
5.6    Einfluss der Werkstoffgüte der Niethülse
5.7    Einfluss der Elementgestaltung auf die Bauteildeformation
5.8    Zusammenfassung der Einflussgrößenanalyse
6    Charakterisierung des Verbindungstragverhaltens
6.1    Verbindungskennwerte unter quasistatischer Belastung
6.2    Verbindungskennwerte an bauteilähnlichen Proben
6.3    Verbindungskennwerte unter zyklischer Belastung
6.4    Verbindungskennwerte mit seriennahen Elementen
6.5    Zusammenfassung der Verbindungskennwerte
7    Untersuchungen zum Hybridfügen
7.1    Vermessung von Klebstofftaschen
7.2    Tragfähigkeit hybridgefügter Verbindungen unter Scherzugbelastung
7.3    Einfluss der Fügestellensteifigkeit auf die Klebstoffverdrängung
8    Korrosionsuntersuchungen
8.1    Element- und Probenpräparation
8.2    Korrosionserscheinungen
8.3    Resttragfähigkeit nach korrosiver Belastung
9    Anlagenkonzept und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
9.1    Anlagenkonzept
9.2    Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
10    Fertigungs- und Anwendungshinweise
10.1    Fertigungshinweise für die Hilfsfügeelemente
10.2    Konstruktionshinweise für die Anlagentechnik
10.3    Anwendungshinweise Hochgeschwindigkeitsblindnieten
11    Ergebnis
12    Literaturverzeichnis
13    Abbildungsverzeichnis
14    Tabellenverzeichnis




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