EFB-Forschungsbericht Nr. 401

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Verbinden von Blechstrukturen mit Faserverbundwerkstoffen mittels Funktionselementen

efb401
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Dipl.-Ing. Martin Bergau, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

140 Seiten - 72,00 EUR (sw, 79 teils farbige Abb., 38 Tab.)
ISBN 978-3-86776-445-2

 

Zusammenfassung

Im Zuge der Entwicklungen zur Elektrifizierung der individuellen Mobilität seitens der Automobilindustrie gewinnen Faser-Kunststoff-Verbunde als Leichtbauwerkstoff für die Karosserie immer stärker an Bedeutung.

Insbesondere für einen Einsatz in der Großserie bedarf es wirtschaftlicher Fügeverfahren, um lösbare Schraubenverbindungen für Anbauteile in der Montage realisieren zu können. In der dünnblechverarbeitenden Serienfertigung haben sich, zur Realisierung lösbarer Verbindungen, Schweißbolzen/-muttern und mechanisch eingebrachte Funktionselemente etabliert.

Derartige Gewindeträger finden sich in allen Bereichen, wo an Feinblechen eine Verschraubung mit zusätzlichen Komponenten herzustellen ist. In der Automobilindustrie werden sie häufig im Rohbau in die Karosserie eingebracht, sodass in der Montage sämtliche Anbauteile mit der Struktur verschraubt werden können. Aus der Vielzahl der Anwendungen seien hier beispielhaft Kabelhalterungen, Leitungshalterungen, die Befestigung von Abdeckungen und Flüssigkeitsbehältern aufgeführt, woraus sich gleichzeitig ableiten lässt, dass Funktionselemente je nach Einsatzgebiet unterschiedlichste Anforderungen hinsichtlich einer mechanischen, thermischen, korrosiven oder kombinierten Belastung erfüllen müssen.

Ziel des Forschungsprojektes war es, die Einsatzmöglichkeiten von mechanischen Funktionselementen, die für metallische Verbindungen bereits etabliert sind, im Zusammenhang mit Faser-Kunststoff-Verbunden zu analysieren und Handlungsempfehlungen zur Erweiterung der Einsatzgrenzen zu erarbeiten. Dazu wurde für die untersuchten Fügesysteme das mechanische Eigenschaftsprofil anhand der Verdrehfestigkeit, der Scherzugfestigkeit sowie des Auszugs- und Durchzugswiderstands erstellt.

Ferner wurde das Schädigungsverhalten der Faser-Kunststoff-Verbunde durch das Fügen mit Stanzmuttern mittels optischer Prüfverfahren untersucht. Ausgehend von klassischen Makroschliffen wurden dazu verschiedene Vorgehensweisen erprobt und stichprobenartig auch weitere Analysemethoden in die Untersuchungen einbezogen. Weiterhin wurde das Kriechverhalten der Faser-Kunststoff-Verbunde infolge der Klemmwirkung und der aufgezwungenen Verformung durch das umformtechnische Fügen betrachtet.

Dabei stand die Erarbeitung einer geeigneten Prüfmethode zum Nachweis des Kriechens im Fokus der Untersuchungen, wobei verschiedene Fügesysteme, Elementgeometrien und Matrixsysteme betrachtet wurden. Einen weiteren Themenschwerpunkt bildete das Korrosionsverhalten der metallischen Fügeelemente in Verbindung mit den Kohlenstoffasern dar. Durch anwendungsorientierte elektrochemische Korrosionsuntersuchungen in Verbindung mit Klimawechseltests nach VDI 621-415 konnten anhand verschiedener Funktionselementwerkstoffe und Beschichtungen grundlegende Handlungsempfehlungen zum Einsatz von Funktionselementen in Faser-Kunststoff-Verbunde erarbeitet werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Verbinden von Blechstrukturen mit Faserverbundwerkstoffen mittels Funktionselementen“ wurde unter der Fördernummer AiF 17437N 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. 401 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In the course of developments for the electrification of individual mobility on the part of the automotive industry, gain fiber-plastic composites as lightweight construction material for the body increasingly important. In particular, the application in the large-scale production needs an economical joining method to realize detachable screw connections for attachments in the assembly.

In the processing mass production of thin sheets weld studs / nuts and mechanically introduced functional elements have been established for realizing releasable connections. Such support thread can be found in all areas where thin sheets compose a screw connection with additional components [Gra98]. In the shell construction of the automotive industry, they are often incorporated in the body, so in the assembly all add-on parts can be bolted to the structure.

From the variety of applications, cable clamps, pipe supports, mounting covers and liquid containers are exemplarily shown, from which can be derived at the same time that functional elements have to comply with different requirements in terms of mechanical, thermal, corrosive or combined load depending on the application.

The aim of the research project was to analyze the possible applications of mechanical function elements that are already established for metallic compounds associated with fiber-reinforced polymer composites and to develop recommendations for expanding the limits of application. For this purpose, the mechanical property profile on the basis of the torsional and shear strength and of the pull-out and pull-through resistance was created for all investigated joining systems.

Furthermore, the damage behavior of fiber reinforced polymer composites joined with self-piercing nuts was investigated with optical test methods. Starting from classical macro-examination specimen different approaches have been tested to and randomly also other methods of analysis in the study were included. Further, the creep behavior of fiber reinforced polymer composites due to the clamping effect and the imposed deformation by the metal forming joining was considered. The development of an appropriate test method for the detection of creep was in the focus of investigations, at which different joining systems, element geometries and matrix systems were considered.

Another focal point was the corrosion behavior of the metallic joining elements in conjunction with the carbon fibers. By application-oriented electrochemical corrosion tests in conjunction with climate change tests according to VDI 621-415 basic recommendations on the use of functional elements in fiber-plastic composites were prepared using various functional element materials and coatings.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abkürzungen und Formelzeichen
1    Einleitung
2    Stand der Technik und Zielsetzung
2.1    Mechanisches Fügen mittels Funktionselementen
2.2    Faser-Kunststoff-Verbunde
3    Versuchswerkstoffe
3.1    Kohlenstoffaser – Gewebe – Thermoplast
3.2    Kohlenstofffaser – Gelege - Duroplast
3.3    HC340LA
4    Fügesysteme
4.1    Fügen von Blindnietmuttern
4.2    Fügen von Nietmuttern
4.3    Fügen von Nietmuttern mittels Warmlochformen
4.4    Fügen von Stanzmuttern
5    Prüfkörper und Prüfkörperherstellung
5.1    Scherzugprobe für Funktionselemente mit Ergänzungsfügeteil
5.2    Prüfkörper Auszug- und Durchzugwiderstand
5.3    Prüfkörper Verdrehfestigkeit
5.4    Prüfkörperherstelllung und -vorbereitung
6    Prüfverfahren und –einrichtungen
6.1    Delaminationsuntersuchungen
6.1.1    Schädigung von Faser-Kunststoff-Verbunden
6.1.2    Vorgehensweise zur Untersuchung des Delaminationsverhaltens
6.2    Ermittlung des Kriechverhaltens bei Funktionselementen in Faser-Kunststoff-Verbunden
6.2.1    Viskoelastisches Materialverhalten von Polymeren
6.2.2    Feuchtigkeitsaufnahme von Polymeren
6.2.3    Vorgehensweise zur Untersuchung der Kriecheffekte
6.3    Elektrochemische Korrosionsuntersuchungen
6.3.1    Arbeitselektroden
6.3.2    Potentialmessung
6.3.3    Strommessung
6.4    Korrosionsuntersuchungen mittels Salzsprühnebeltest
6.5    Ermittlung von Verbindungskennwerten
6.5.1    Verdrehfestigkeit und Verschraubungen
6.5.2    Verbindungsfestigkeiten unter quasistatisch zügiger Lasteinleitung
7    Charakterisierung der Verbindungen
7.1    Bemusterung der Fügesysteme
7.1.1    Blindnietmuttern
7.1.2    Nietmuttern
7.2    Ermittlung der mechanischen Eigenschaften
8    Analyse der Laminatschädigung
8.1    Mikroskopische und makroskopische Analysen von Schliffbildern
8.2    Schädigungsdetektion mittels Rasterelektronenmikroskopie und Ultraschallprüfung
8.3    Abschließende Bewertung und Handlungsempfehlungen
9    Experimentelle Untersuchung des Kriechverhaltens
9.1    Prüfzeitraum für Heißklimatests
9.2    Prüfung der Messgenauigkeit der Klemmkraftdose
9.3    Experimentelle Versuchsdurchführung
9.4    Abschließende Bewertung und Handlungsempfehlungen
10    Elektrochemische Korrosion
10.1    Potentialmessungen
10.1.1    Ruhepotentiale
10.1.2    Korrosionspotentiale
10.2    Strommessung
10.3    Schlussbetrachtung und Handlungsempfehlungen
10.3.1    Zusammenfassung der Messwerte
10.3.2    Bestimmung der jährlichen Schädigungstiefen
10.3.3    Bestimmung der Wirkdauer der Opferanoden
10.3.4    Handlungsempfehlungen
11    Korrosionsuntersuchungen mittels Salzsprühnebeltest
11.1    Versuchsdurchführung und Auswertung
11.2    Schlussbetrachtung und Handlungsempfehlungen
12    Ergebnisse
13    Literaturverzeichnis
14    Abbildungsverzeichnis
15    Tabellenverzeichnis


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