EFB-Forschungsbericht Nr. 582

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Formschlüssige In-Mould-Verbindung zwischen FVK und einem mit Fließlochhülsen strukturierten Blecheinleger

efb-582

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder, Dr.-Ing. André Hürkamp, M. Sc. Marcel Droß, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, Technische Universität Braunschweig - Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M.Sc. Hendrik Wester, M. Sc. Eugen Stockburger, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover

136 Seiten - 90,00 EUR (sw, 90 teils farbige Abb., 15 Tab.)
ISBN 978-3-86776-640-1


Zusammenfassung

Werkstoffspezifische Leichtbaumaßnahmen haben das Ziel, die Potentiale verschiedener Werkstoffe durch sinnvolle Materialkombination zu nutzen. Der tatsächliche Vorteil von Multi-Material-Verbunden hängt dabei maßgeblich von der eingesetzten Fügetechnik und daraus resultierenden Verbundfestigkeiten ab. Im Automobilbau ist der werkstoffspezifische Leichtbau ein zentrales Thema zur Erreichung eines verringerten Schadstoffausstoßes sowie im Kontext der E-Mobilität einer Erhöhung der Reichweite über die Nutzungsdauer. Zur großserienfähigen Produktion von Bauteilen, bestehend aus Metall und kurzfaserverstärkten Kunststoffen, wird das In-Mould-Assembly-Verfahren (Hybrid-Spritzgießen) eingesetzt.

Hierbei bieten Durchspritzpunkte (zylindrische Geometrieelemente) eine formschlüssige Verbindung und ermöglichen so eine Lastverteilung vom metallischen Einleger in die Kunststoffverstärkung. Infolge der geringen übertragbaren Kräfte kann es jedoch zu Überdimensionierungen des Bauteils bzw. zu einer hohen Anzahl an Fügestellen kommen. An dieser Stelle setzt das Vorhaben an und adressiert die Entwicklung einer belastungs- und anforderungsgerechten formschlüssigen In-Mould-Verbindung zwischen kurzfaserverstärkten Kunststoffen und einem mit Fließlochhülsen strukturierten Metalleinleger.

Der Lösungsansatz in diesem Vorhaben beabsichtigt, sowohl die Hülsen als auch deren Kragen als Elemente der Blechstrukturierung zu verwenden und durch Hybrid-Spritzgießen einen multiaxial belastbaren Werkstoffverbund herzustellen. Im Fokus dieser Entwicklung stehen die Untersuchung neuer Werkzeuggeometrien (Fließlochformer) sowie die Entwicklung eines numerischen Modells zur Vorhersage der prozessbedingten Hülsenausprägung und damit erreichbarer Verbundfestigkeiten im In-Mould-Assembly-Verfahren.

Hierfür werden geeignete Prozessparameter zur Erzeugung anforderungsgerechter Hülsenausprägungen unter Anwendung experimenteller und numerischer Methoden ermittelt. Um das Potential der entwickelten Fügetechnik praxisrelevant zu evaluieren, werden sowohl quasistatische als auch dynamische und zyklische Belastungstests an Demonstratoren durchgeführt.


Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Formschlüssige In-Mould-Verbindung zwischen FVK und einem mit Fließlochhülsen strukturierten Blecheinleger" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20711N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 582 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.


Summary

Material-specific lightweight design aims to exploit the potential of different materials by combining them in a smart way. The actual advantage of multi-material composites depends on a large extent of the joining technology used and the resulting bonding strengths. In automotive engineering, multi-material lightweight design is a key issue for achieving reduced emissions as well as, in the context of electromobility, an increase in the range over the lifetime of the product.

The in-mould assembly process (hybrid injection moulding) is used for large-scale production of components consisting of metal and short-fiber-reinforced plastics. In this process, through-mould points (cylindrical geometry elements) provide a form-fit connection and thus enable load distribution from the metal inlay to the plastic reinforcement. As a result of the low forces that can be transmitted, the component is oversized or a large number of joints are required.

This is where the project starts and addresses the development of a form-fit in-mould connection between short-fibre-reinforced plastics and a metal insert structured with friction drilled sleeves that is suitable for loads and requirements. The solution approach in this project intends to use both the sleeves and their collars as elements of the sheet metal structuring to produce a multi-axially loadable material composite by hybrid injection moulding.

The focus of this development is on the investigation of new tool geometries (friction drilling former) and the development of a numerical model for the prediction of the process-dependent sleeve formation and thus the achievable composite strengths in the in-mould assembly process.

For this purpose, suitable process parameters for the generation of sleeve characteristics that meet the requirements are determined using experimental und numerical methods. In order to demonstrate the potential of the developed joining technology in practice, quasistatic as well as dynamic and cyclic load tests are carried out on demonstrators.

Inhaltverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Anlass für das Forschungsvorhaben
2 Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Fügeverfahren für Metall-Kunststoff-Verbunde
2.1.1 Blindnieten
2.1.2 Heißnieten
2.1.3 Befestigungsschrauben
2.1.4 Fließloch- und gewindeformendes Schrauben
2.1.5 Thermomechanisches Ausformfügen
2.1.6 Kragenfügen
2.1.7 Kragenziehen
2.1.8 Pin-Technologie durch Setzprozesse und Fließformen
2.1.9 Laserstrukturierung
2.1.10 Oberflächenstrukturierung durch mechanische Verfahren
2.2 Versagensformen bei Bolzen- und Nietverbindungen
2.3 Spritzgießen zur prozessintegrierten Herstellung von Metall-Kunststoff-Verbunden
2.3.1 Spritzgießen
2.3.2 Herausforderungen der Fügetechniken
2.4 Simulationsmethoden für Fließlochformen
2.4.1 Finite Elemente Methode
2.4.2 Finite Volumen Methode
2.4.3 Partikel Methode
2.4.4 Simulationsmodelle des Fließlochformens in der Literatur
2.5 Fazit zum Stand der Technik
3 Forschungsziel und Vorgehensweise
3.1 Forschungsziel
3.1.1 Forschungsergebnisse
3.1.2 Innovativer Beitrag der Forschungsergebnisse
3.2 Methodischer Ansatz zur Erreichung des Forschungsziels
4 Materialien und Prüfmethoden
4.1 Mikrolegierte Stähle
4.2 Spritzgießgranulate
4.3 Materialcharakterisierung
4.3.1 Dilatometerversuche
4.3.2 Flachstauchversuche
4.4 Herstellung von Verbundprüfkörpern
4.4.1 Fließlochformwerkzeuge
4.4.2 Versuchseinrichtungen
4.4.3 Scherzugprüfkörper
4.5 Verbundprüfung
4.5.1 Scherzugprüfung
4.5.2 3-Punkt-Biegeprüfung
5 Numerische Abbildung des Fließlochformens
5.1 Modellierung des Materialversagens
5.2 Untersuchung verschiedener Simulationsmethoden
5.2.1 Finite Elemente Methoden
5.2.2 Finite Volumen Methode
5.2.3 Partikel Methode
5.2.4 Versuche für die Modellverifikation
5.2.5 Vergleich der Abbildungsgüte der numerischen Modellierungsansätze
5.3 Numerische Parameterstudie des Fließlochformens
6 Bewertung der Fließlochhülse
6.1 Effekte der Parametervariation auf die Fließlochhülsen
6.1.1 Einfluss der Prozessparameter
6.1.2 Einfluss des Werkzeugdurchmessers
6.1.3 Einfluss des Werkzeugdrallwinkels
6.1.4 Hülsenabzugversuche
6.2 Verbundfestigkeiten nach dem Spritzgießprozess
6.3 Numerische und experimentelle Untersuchung des Einflusses der Kragenformergeometrien
7 Experimentelle und numerische Untersuchungen an flächig strukturierten Probekörpern
7.1 Umformverhalten strukturierter Metallbleche
7.2 Lastaufnahmeverhalten strukturierter Hybridproben
8 Untersuchungen am Technologiedemonstrator
8.1 Demonstratorfertigung
8.2 Untersuchungen der verbesserten Verbundfestigkeit
8.2.1 Quasi-statische Prüfungen
8.2.2 Dynamische Prüfungen
8.2.3 Zyklische Prüfungen
8.3 Numerische Abbildung der Belastungstests
8.3.1 Simulationsmodell des 3-Punkt-Biegeversuchs
8.3.2 Analyse der Krafteinleitung während des Versuchs
9 Ergebnis und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literaturverzeichnis

 


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