Effizientes geometrievariables Fügen von Metall/FKV-Strukturen mittels induktivem Kontaktfügen
Verfasser:
Dipl.-Ing. Alexander Fröhlich, Prof. Dr.-Ing. Till Clausmeyer, M. Sc. Colin Gerstenberger, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h. c. Dr. h. c. Prof. Lothar Kroll, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (UFF) der Technischen Universität Chemnitz
77 Seiten - XX,00 EUR (Print, sw, 30 teils farbige Abb., 7 Tab.) XX,00 EUR (Digital, durchgehend farbig)
ISBN 978-3-86776-690-6
Zusammenfassung
Zur Herstellung von Mischbauweisen aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden und Metallen werden bei den klassischen Hybridbauweisen derzeit neben dem Kleben vorrangig mechanische Fügeverfahren wie das Schrauben oder Nieten eingesetzt. Typische Probleme ergeben sich dabei beispielsweise durch spanend eingebrachte Bohrungen oder Fügeelemente mit Schneidkanten, welche mit einer Reduzierung der lasttragenden Fasern, Delaminationen und Faserschädigungen sowie versagenskritischen Spannungskonzentrationen in der Fügezone einhergehen.
Zu den faserschonenderen Fügeoperationen zählen thermische Verfahren, wie das induktionsbasierte Fügen. Traditionell erfolgt der Energieeintrag dabei stets kontaktlos. An der Technischen Universität Chemnitz wurde mit dem „Induktiven Kontaktfügen" (IKF) ein alternativer Ansatz entwickelt, bei dem ein kompakter, direkt in Kontakt mit den Fügepartnern stehender Induktor, sowohl die Erwärmung als auch die Druckeinleitung und die abschließende Konsolidierung (Abkühlung) der Fügeverbindung übernimmt.
Neben umfangreichen Parameterstudien und der mechanischen Charakterisierung, wur-den im Projekt auch geometrische Gestaltungsmöglichkeiten untersucht. Dabei wurden sowohl ein- und zweischnittige Überlappverbindungen mit punkt- und linienförmiger Fügezone, als auch dreidimensional konturierte Verbindungen analysiert.
An der Materialkombination Celanese Celstran® CFR-TP PA6 GF60/HX420LAD+Z100 (2,0 mm/1,5 mm) konnten in diesem Zuge Scherzugfestigkeiten von bis zu 18 MPa nachgewiesen werden. Dabei zeigte sich der Einsatz von Vorbehandlungsmaßnahmen wie Korundstrahlen und Flammpyrolyse als sinnvoll.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Effizientes geometrievariables Fügen von Metall/FKV-Strukturen mittels induktivem Kontaktfügen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer EFB/IGF 01IF22550N 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. 621 erschienen und im EFB-Shop https://shop.efb.de und im Buchhandel erhältlich.
Summary
In addition to adhesive bonding, mechanical joining methods such as screwing or rivet-ing are currently primarily used for the production of hybrid constructions made of ther-moplastic fiber-reinforced plastic composites and metals. Typical problems arise, for example, from drilled holes or joining elements with cutting edges, which are associated with a reduction in the load-bearing fibers, delamination and fiber damage as well as failure-critical stress concentrations in the joining zone.
Heat induced processes such as induction-based joining are among the joining opera-tions that are gentler on the fibers. Traditionally, the energy input is always contactless, in this case.
At Chemnitz University of Technology, an alternative approach was developed, in which a compact inductor stays in direct contact with the joining partners and takes over both the heating and the pressure introduction, as well as the final consolidation (cooling) of the joint.
In addition to extensive parameter studies and mechanical characterization, the project also investigated geometric design options and various material combinations. Both single- and double-cut lap joints with point and linear joining zones as well as three-dimensionally contoured joints were analyzed.
The material combination Celanese Celstran® CFR-TP PA6 GF60/HX420LAD+Z100 (2.0 mm/1.5 mm) was used to demonstrate tensile shear strengths of up to 18 MPa. The use of pre-treatment measures such as corundum blasting and flame pyrolysis proved to be useful.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung und Zielstellung
2 Stand der Forschung
2.1 Faser-Kunststoff-Verbund/Metall-Hybridbauweisen
2.2 Fügen von Faser-Kunststoff-Verbunden mit Metall
2.2.1 Allgemein
2.2.2 Induktives Fügen von Faser-Kunststoff-Verbunden mit Metall
3 Werkstoffe, Maschinen und Verfahren
3.1 Versuchswerkstoffe
3.1.1 Polymerwerkstoffe
3.1.2 Metall
3.2 Fügeanlage
3.3 Prüfverfahren
3.3.1 Statische Prüfung
3.3.2 Dynamische Prüfung
3.3.3 Klimawechseltest nach DIN EN ISO 4892
3.3.4 Klimawechseltest nach PV 1200
3.3.5 Prüfkörper
3.4 Oberflächenvorbehandlung
3.4.1 Entfetten
3.4.2 Flammenpyrolyse
3.4.3 Korundstrahlen
4 Experimentelle Untersuchungen
4.1 Analyse von Vorbehandlungszuständen
4.1.1 Rauheitsmessung
4.1.2 Kontaktwinkelmessung
4.2 Referenzverbindungen
4.2.1 Technicoll 9431
4.2.2 Thermomechanisches Ausformfügen
4.2.3 Literaturkennwerte
4.3 Entwicklung, Auslegung und Simulation der Induktorwerkzeuge4.4 Parameterübersicht
4.5 Optische und mechanische Charakterisierung
4.5.1 Oberflächenvorbehandlung
4.5.2 Fügezonen und Bruchbilder
4.5.3 Leistung und Heizdauer (linienförmig)
4.5.4 Heizdauer (punktförmig)
4.5.5 Kühldauer
4.5.6 Dynamische Belastung (punktförmig)
4.5.7 Analyse der Witterungsbeständigkeit
4.5.8 Zweischnittige Verbindungen
4.5.9 Schliffbilder
4.6 Entwicklung und Umsetzung eines Demonstrators
5 Zusammenfassung und Ausblick
5.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
6 Literaturverzeichnis
