Einsatz des Direktverschraubens zum Verbinden faserverstärkter Kunststoffe mit metallischen Werkstoffen ohne Vorloch
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Dipl.-Wirt.-Ing. Philipp Nagel, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn
124 Seiten - 72,00 EUR (sw, 70 teils farbige Abb., 34 Tab.)
ISBN 978-3-86776-462-9
Zusammenfassung
Der zunehmende Trend zur Misch- und Profilbauweise stellt die einzusetzende Fügetechnologie vor große Herausforderungen. Eine Fügetechnik, die zur Realisierung von Mischbauanwendungen bei nur einseitiger Zugänglichkeit zur Fügestelle eingesetzt werden kann, ist das Direktverschrauben mit loch- und gewindeformenden Schrauben. Dieses Verfahren ist aufgrund seiner hohen Prozesssicherheit, der guten Automatisierbarkeit und geringer Prozesszeiten sowohl aus technologischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht für den industriellen Einsatz attraktiv. Um den wirtschaftlichen Nutzen dieser Technologie auch für die Anwendung bei Mischbauweisen aus faserverstärktem Kunststoff und metallischen Werkstoffen wirtschaftlich zu erhöhen, wird angestrebt, die notwendigen Bauteilvorbereitungen auf ein Minimum zu reduzieren. Das Entfallen einer Vorlochung des faserverstärkten Klemmteils stellt dabei eine wesentliche Aufgabenstellung dar.
Ziel des Forschungsprojektes war die Qualifizierung des vorlochfreien Direktverschraubens für FKV-Metall-Verbindungen. Durch das Forschungsprojekt konnten die Grundlagen des vorlochfreien Direktverschraubens von Faser-Kunststoff-Verbunden mit metallischen Fügepartnern erarbeitet werden. Im Projekt wurden anhand von Standard-FLS-Schrauben und optimierter Schraubenvarianten die Verbindungseigenschaften von FKV-Metall-Verbindungen mittels verschiedener Methoden untersucht. Im Projekt wurden zunächst Bemusterungen verschiedener FKV-Metall-Verbindungen durchgeführt und die zum Fügen von FKV benötigten Prozessparameter bestimmt. In Untersuchungen mittels Ultraschall konnte herausgearbeitet werden, welche Spitzen- und Gewindegeometrie FLS-Schrauben zum Direktverschrauben von FKV-Werkstoffen mit metallischen Fügepartnern besitzen müssen, um die beim Fügen entstehenden Delaminationen zu reduzieren.
In verschiedenen Festigkeitsuntersuchungen wurden die Verbindungseigenschaften im Vergleich zu vorgelochten Verbindungen dargestellt. Weiterhin wurden die beim vorlochfreien Direktverschrauben von FKV entstehenden Faserstäube hinsichtlich ihrer Geometrie klassifiziert. In Korrosionsuntersuchungen wurde gezeigt, dass es sich bei FKV-Metall-Verbindungen um korrosionskritische Verbindungen handelt. Ein effektiver Korrosionsschutz ist zurzeit nur durch Abdichtmaßnahmen zu erzielen.
In der Summe konnte mit den Untersuchungen gezeigt werden, dass das Fügeverfahren fließlochformendes Schrauben ein hohes Anwendungspotential zur Umsetzung einer FKV-Metall-Mischbauweise besitzt. Die Herausforderung wird in der weiteren Optimierung der Hilfsfügeelemente hinsichtlich einer weiteren Reduzierung von Delaminationen und der Optimierung der Korrosionseigenschaften liegen.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Einsatz des Direktverschraubens zum Verbinden faserverstärkter Kunststoffe mit metallischen Werkstoffen ohne Vorloch" wurde unter der Fördernummer AiF 17595N 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. 416 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The growing trend for multi-material design and a profile-intensive design in the car body shop face the joining technology with great challenges. A joining technology, that can be used for joining of different material with only one-sided accessibility to the joint, is the direct screwing with flow drilling screws (FDS). From a technological as well as from an economic perspective this method is attractive for industrial use due to its high process stability, good automation and low processing times. In order to increase the economic benefits of this technology also for use in multi-material design of fiber-reinforced plastic (FRP) and metal materials, the aim is to reduce the necessary component preparations to a minimum. The elimination of a preliminary hole in the fiber-reinforced component represents a significant task.
The aim of the research project was the qualification of the direct screwing with flow drilling screws for FRP-metal compounds without a pilot hole. Through the research project the fundamentals of flow drill screwing without a pilot hole of FRP with metallic joining partner has
been worked out. In the project, the joint properties of FRP-metal compounds by various methods have been studied based on standard FDS-screws and optimized variants. In the beginning of the Project sampling of various FRP-metal compounds were carried out and the necessary for joining of FRP process parameters were determined. In studies using ultrasonic could be worked out, which top and thread geometry the FDS-screws have had to reduce the delamination in FRP materials caused through joining. In various strength tests the joint properties were showed in comparison to connections with pilot hole. Furthermore, the FRP dusts due to flow drill screwing of FRP without pilot hole was classified in terms of their geometry. Corrosion studies have shown that joint with FRP-metal compounds are corrosion-critical. An effective corrosion protection can currently only be achieved by sealing the joint zone.
By summarizing the investigations it could be shown that the joining technology of flow drill screwing has a high application potential for the implementation of a FRP-metal hybrid construction. The challenge will lie in the further optimization of the joining elements in terms of reducing delamination and the optimization of the corrosion properties.
The aim of the project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungen
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Forschung
2.1 Faser-Kunststoff-Verbund (FKV)
2.1.1 Definition und Grundlagen
2.1.2 Eigenschaften von FKV
2.1.3 Bruchgeschehen in Laminaten
2.2 Direktverschrauben mit Fließlochformschrauben
2.3 Fügen faserverstärkte Kunststoffe mittels Direktverschrauben
2.4 Forschungsziel
3 Füge- und Prüfeinrichtungen
3.1 Schraubautomat Weber-RSF 20
3.2 Schatz Schraubenprüfstand
3.3 Olympus MX2 Ultraschallprüfgerät
3.4 Zwick Z 100
3.5 Schenk Hydropuls PSA
3.6 Korrosionskammer Liebisch® Labortechnik, Typ: SKB1000 A-TR
3.7 Rasterelektronenmikroskop
3.8 Computertomograf
3.9 Fräsportal
3.10 Versuchseinrichtung zur Klemmkraftmessung
4 Versuchswerkstoffe, Hilfsfügeelemente, Probengeometrien
4.1 Metallische Werkstoffe
4.1.1 EN AW-6181
4.1.2 HC340LA
4.2 Faser-Kunststoff-Verbunde
4.2.1 Faser-Kunststoff-Verbunde mit thermoplastischer Matrix
4.2.2 Faser-Kunststoff-Verbunde mit duroplastischer Matrix
4.3 Klebstoff
4.4 Hilfsfügeteile
4.4.1 Ejot FDS und Ejot FDS-BS
4.4.2 Arnold Flowform
4.4.3 Betzer Pentadrill
4.5 Probengeometrien
4.5.1 Kopfzugprobe
4.5.2 Scherzugproben
5 Verbindungsbemusterung und Beurteilung der Verbindungsqualität
5.1 Verbindungsbeurteilung und Verbindungserstellung
5.2 Einfluss der Parametervariation auf die Verbindungsausbildung
5.3 Verbindungsausprägung
6 Ultraschall- und computertomografische Untersuchungen zur Delaminationsbeurteilung
6.1 Generierung Ultraschall und Vorgehen bei Probenpräparation
6.2 Schädigungen in Abhängigkeit der Schraubengeometrien
6.3 Einfluss der Schraubenspitze und des Schraubengewindes
6.4 Auswertung computertomografischer Untersuchungen
7 Tragfähigkeitsuntersuchungen
7.1 Kopfzug- und Ausdrückversuche
7.2 Scherzugversuche unter quasistatischer Belastung
7.3 Scherzugversuche unter zyklischer Beanspruchung
8 Klemmkraftverluste durch Kriechen und Relaxation
8.1 Direkte Messung von Klemmkraftverlusten
8.2 Einfluss thermischen Kriechens auf die Verbindungsfestigkeit
8.3 Einfluss thermischen Kriechens auf das Losdrehmoment
9 Untersuchungen zur Staubentwicklung
9.1 Ermittlung von Faserstäuben in Anlehnung an VDI 3492 / BGI 505-46
9.2 Rasterelektronenmikroskopie
10 Untersuchungen zum Hybridfügen
10.1 Versuche zur Klebflächenvorbehandlung
10.2 Scherzugfestigkeit von Hybridverbindungen
11 Korrosionsuntersuchungen
11.1 Beurteilung der Korrosionserscheinungen
11.2 Resttragfähigkeit nach korrosiver Belastung
12 Ergebnisse
13 Literaturverzeichnis
