Entwicklung multifunktionaler Schnittstellen zum Verbinden von FKV mit Metallen unter Nutzung etablierter Fügeverfahren
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude, Dipl.-Ing. Juliane Troschitz, Dipl.-Ing. Richard Grothe, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, Technische Universität Dresden - Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Julian Vorderbrüggen, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn
142 Seiten - 87,00 EUR (sw, 109 teils farbige Abb., 24 Tab.)
ISBN 978-3-86776-642-5
Zusammenfassung
Mischbauweisen mit Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) und Metallen bieten ein hohes Potential für ressourcen- und kosteneffizienten Leichtbau. Ein Hemmnis für den Serieneinsatz von FKV stellt bislang jedoch häufig die Verfügbarkeit geeigneter Fügeverfahren dar. Speziell für FKV entwickelte Fügetechnologien sind zumeist nicht auf die Prozessketten der Serienfertigung abgestimmt.
Insbesondere in der Industrie besteht die Forderung, trotz steigender Werkstoffvielfalt die Anzahl unterschiedlicher Fügeverfahren zu reduzieren. In diesem Forschungsvorhaben wurde daher eine neue vorwettbewerbliche Technologie für schädigungsarme, kraftflussgerechte FKV/Metall-Verbindungen unter Anwendung etablierter punktueller Fügeverfahren wie Clinchen und Widerstandspunktschweißen entwickelt.
Hierzu werden metallische Multifunktionale Schnittstellen bereits während der Bauteilfertigung mit einem Dornwerkzeug in eine thermoplastische FKV-Struktur integriert, wobei die Verstärkungsfasern nicht durchtrennt, sondern in der aufgeschmolzenen Matrix umgelenkt werden.
Im selben Prozessschritt wird die Schnittstelle eingebracht und ein matrizenseitig angeordneter Gegenstempel bewegt das Material aus dem entstandenen Durchzug zurück in die Laminatebene, wodurch ein Formschluss zwischen Schnittstelle und FKV erzeugt wird. Anschließend kann das FKV-Bauteil mittels etablierter punktueller Fügeverfahren unter Anwendung konventioneller Fügewerkzeuge prozesssicher mit Metallstrukturen verbunden werden.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden simulationsgestützt sowohl spezifische Schnittstellen entwickelt, die an die jeweiligen fügetechnischen Randbindungen angepasst sind, als auch Multifunktionale Schnittstellen, die sowohl für das Clinchen als auch für das Widerstandselementschweißen (WES) eingesetzt werden können. Sowohl für die Dorneinformung als auch die anschließenden Fügeprozesse wurden geeignete Parameterfenster zur prozesssicheren Fertigung qualitativ hochwertiger Verbindungen identifiziert.
Durch die parallel durchgeführten Struktur- und Schädigungsanalysen mittels lichtmikroskopischer Aufnahmen und CT-Untersuchungen konnten die qualitätsrelevanten Kenngrößen der Verbindungen überprüft und die Werkstoffstruktur in der Umformzone des FKV beschrieben werden. Die Ermittlung der Verbindungseigenschaften erfolgte umfassend durch Zugprüfungen unter quasistatischer und zyklischer Belastung.
Abschließend sind die Erkenntnisse in die Fertigung einer dreidimensionalen Demonstratorstruktur geflossen. Anhand dieser konnten anwendungsrelevante Anforderungen wie geringe Flanschbreiten, unterschiedliche Zugänglichkeiten der Fügestellen und die simultane Einformung mehrerer Schnittstellen in eine FKV Struktur erfüllt werden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Entwicklung multifunktionaler Schnittstellen zum Verbinden von FKV mit Metallen unter Nutzung etablierter Fügeverfahren" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20870BG 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. 584 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Multimaterial design with fibre reinforced plastic (FRP) and metals offers a high potential for resource- and cost-efficient lightweight constructions. However, the availability of suitable joining processes has so far often been an obstacle to the use of FRP in series production. Joining technologies developed specifically for FRP are mostly not adapted to the process chains of series production.
In industry in particular, there is a demand to reduce the number of different joining processes despite the increasing diversity of materials. In this research project, therefore, a new precompetitive technology for low-damage, force-flow-compatible FRP/metal joints was developed using established spot joining processes such as clinching and resistance spot welding.
In this process, metallic multifunctional inserts are embedded into a thermoplastic FRP structure during component manufacture using a pin tool. As a result, the reinforcing fibres are not severed but reoriented in the molten matrix. In the same process step, the insert is embedded and a counter punch located on the die side presses the material from the resulting draft back into the laminate plane, creating a form fit between the insert and the FRP.
Subsequently, the FRP component can be reliably joined to metal structures by means of established spot joining processes with conventional joining tools using the insert as an interface.
Within the scope of the research project, both specific interfaces adapted to the respective joining constraints and multifunctional interfaces that can be used for both clinching and resistance element welding (WES) were developed using simulation. Suitable parameter sets for the process-reliable production of high-quality joints were identified for both the embedding of the interfaces and the subsequent joining processes.
The structural and damage analyses carried out by means of microscopic images and CT examinations enabled the quality-relevant parameters of the joints to be verified and the material structure in the forming zone of the FRP to be described. The joint properties were investigated comprehensively by means of tensile tests under quasistatic and cyclic loading.
Finally, the obtained results were used for the manufacturing of a three-dimensional de-monstrator structure. On the basis of this, application-relevant requirements such as small flange widths, different accessibility of the joints and the simultaneous molding of several interfaces into an FRP structure could be accomplished.
Inhaltverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Faser-Kunststoff-Verbunde
2.2 Fügen von FKV mit Metall
2.2.1 Clinchen
2.2.2 Widerstandspunktschweißen
2.3 Warmumformtechnische Integration von Inserts
3 Versuchsrandbedingungen
3.1 Versuchswerkstoffe
3.2 Versuchsanlagen
3.3 Schnittstellen- und Probengeometrien
4 Konzeptentwicklung für prozess- und bauweisengerechte Schnittstellen (ILK/LWF)
4.1 Randbedingungen hinsichtlich Schnittstellen-Einformung in FKV
4.2 Fügetechnische Randbedingungen
4.3 Strukturmechanische Vorauslegung (ILK)
5 Technologische Untersuchungen zum Einsatz spezifischer Schnittstellen
5.1 Technologische Untersuchungen zur Integration von Schnittstellen in FKV (ILK)
5.1.1 Prozessentwicklung zur Einformung von Schnittstellen in thermoplastische FKV-Strukturen
5.1.2 Einformung von Schnittstellen in gekrümmte und gestufte FKV-Strukturen
5.1.3 Integration von Schnittstellen in duroplastische FKV
5.2 Strukturanalyse und Verbindungseigenschaften nach Schnittstellenintegration (ILK)
5.2.1 Analyse der Werkstoffstruktur in der Umformzone des FKV
5.2.2 Verbindungseigenschaften nach der Schnittstellenintegration im FKV
5.3 Fügeversuche und Herstellung von Verbindungsmustern (LWF)
5.3.1 Fügeversuche Clinchen
5.3.2 Widerstandselementschweißen
5.3.3 Anpassung der Schnittstellengeometrien
6.1 Schädigungsanalyse nach dem Fügeprozess
6.2 Tragfähigkeitsuntersuchungen für spezifische Schnittstellen
7 Multifunktionalität und Demonstrator (ILK/LWF)
7.1 Multifunktionalität
7.2 Bewertung der Multifunktionalität
7.3 Entwicklung und Fertigung der Technologie-demonstratoren
8 Ergebnisse
8.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für kleine und mittelständische Unternehmen
9 Literaturverzeichnis
9.1 Normen und Richtlinien
