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EFB-Forschungsbericht Nr. 369

Lokale Verstärkungen im Innenhochdruck-Umformprozess

efb369

Verfasser:
PD Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel, Dipl.-Ing. Sandra Menzel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz - Prof. Dr.-Ing. Bernd Mayer, Dipl.-Wirt.-Ing. Heinrich Kordy, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Bremen

114 Seiten (sw, 74 teils farbige Abb., 11 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-411-7

Preis (Digital) EUR 51,25

Preis (Print) EUR 64,00

Zusammenfassung

Belastungsgerechte lokale Verstärkungen werden im Sinne des Leichtbaus und der Eigenschaftsverbesserung mechanisch belasteter Bauteile im Automobilbau in konventioneller Form als separat umgeformte und im Zusammenbau gefügte Verstärkungsteile, oder in der modernen Form der maßgeschneiderten Halbzeuge eingesetzt.

In diesem Bericht werden die Forschungsergebnisse zum Fügen lokaler Verstärkungen im Innenhochdruckumformprozess dargestellt. Bauteil und Verstärkungsblech werden dabei im IHU-Prozess formschlüssig verbunden, dadurch wird eine Handlingsfestigkeit von der Entnahme aus dem Werkzeug bis zur Aushärtung des zuvor auf dem Verstärkungsblech applizierten Klebstoffes gewährleistet. Das Fügeverfahren steht dabei im Spannungsfeld der Gegebenheiten des IHU-Prozesses, der Anforderungen an einen kombinierten Prozess und den Potenzialen der Klebstoffe.

Wesentliche Auslegungskriterien sind die Gestaltung der formschlüssigen Verbindung sowie die Auslegung der Klebverbindung. Der Anspruch an die formschlüssige Verbindung ist die Gewährleistung der Handlingsfestigkeit bis zur Aushärtung der Klebschicht. Bei der Gestaltung der Formelemente gilt es, einen Kompromiss zwischen maximal möglicher Verklammerung der Teile einerseits und minimaler Beeinflussung des Wandstärkenverlaufs des IHU-Profils andererseits zu finden. Anhand des Vergleiches verschiedener Gestaltungsvarianten in Experiment und Simulation wurde ermittelt, dass eine ausreichende Handlingsfestigkeit am besten erreicht wird, indem für die formschlüssige Verbindung vorhandene Hinterschneidungen im IHU-Profil durch ein umgreifendes Verstärkungsblech genutzt und diese  vorteilhaft mit einem zusätzlichen Formelement kombiniert werden.

Zur Auslegung der Kleblösung wurden die Eigenschaften der in Frage kommenden Klebstoffe geprüft und verglichen und die verschiedenen Klebstoffsysteme bezüglich ihrer Prozessfähigkeit bewertet. Es sollte ein Klebstoff gefunden werden, der vorapplizierbar, IHU-verträglich und kontaminationstolerant ist und im ausgehärteten Zustand maximale Festigkeiten erreicht. Darüber hinaus hat der Klebstoff die Aufgabe, einen divergierenden Spalt zwischen Blech und Rohr zu füllen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnte kein am Markt verfügbarer Klebstoff alle Anforderungen des Prozesses unter den im Projekt gestellten Rahmenbedingungen (keine Verschmutzung des IHU-Werkzeugs) erfüllen. Die Forschungsstellen sehen hier ein großes Potenzial in einer Weiterentwicklung von vorapplizierbaren Schmelzklebstoffen hin zu größerer Flexibilität und Umformbarkeit.

Anhand der durchgeführten Modellversuche und Prüfungen der Bauteileigenschaften konnte die Machbarkeit des Verfahrens erfolgreich nachgewiesen werden. Verstärkungsblech und IHU-Bauteil sind ohne Änderung der IHU-Prozessführung gemeinsam umformbar und die Handlingsfestigkeit des Verstärkungsbleches ist durch die im IHU-Prozess entstehende formschlüssige Verbindung gegeben. Zur stoffschlüssigen Verbindung sind vorapplizierbare Klebstoffe vorteilhaft einsetzbar.

Die im Experimentalteil hergestellten lokal verstärkten IHU-Bauteile weisen im 3-Punkt-Biegeversuch eine eindeutige Erhöhung der Belastbarkeit auf. In der Ermüdungsprüfung mit lokaler Lasteinleitung in den verstärkten Bauteilbereich konnte eine Erhöhung der Lebensdauer nachgewiesen werden. Im Crashversuch trägt die lokale Verstärkung zu einer Verbesserung des Bauteilverhaltens bei. Das Korrosionsrisiko wird bei optimaler Klebschichtausbildung minimiert, die gefertigten verstärkten Rohre hielten nach der durchgeführten KTL-Beschichtung der Korrosionsprüfung stand. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Lokale Verstärkungen im Innenhochdruck-Umformprozess“ wurde unter der Fördernummer AiF 16526BG 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 Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 369 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Load-adapted local reinforcements are used in the automotive industry in terms of light-weight construction and improvement of properties of mechanically loaded components. This can be done by the conventional way of separately formed reinforcement parts that are joined during the assembly process, or in the modern form of tailored products.

In this report the research results of joining local reinforcements during the process of hydroforming are shown. Thereby, component and reinforcement are joined by a form lock in the hydroforming process, that ensures handling stability from the removal out of the shaping die until the end of curing of the previously applied adhesive on the reinforcement. This joining method is challenged to work within the circumstances of the hydroforming process, the requirements of a combined process and the potential of the adhesives.

Major design criteria are the shaping of the form-locked joint and design of the adhesive bond. The demand on the form-locked joint is, to ensure handling stability until the adhesive layer has completely cured. When designing the form elements it is necessary to find a compromise between the maximum possible clamping of the parts on the one hand and minimal influence on the thickness profile of the hydroforming part on the other hand. By comparing different design alternatives in experiment and simulation it was determined that a sufficient handling stability is achieved best by using existing undercuts in the hydroforming profile by an embracing reinforcement and combining this undercut advantageously with an additional form element in the profile.

To determine the best possible adhesive bond, the properties of several adhesives were tested and compared and also different adhesive systems were evaluated in terms of their process capability. An adhesive was supposed to be found, that can be applied previously, is compatible to hydroforming and contamination and achieves maximum strength in the cured state. In addition, the adhesive has to fill a diverging gap between reinforcement and hydroforming part. In this research project none of the adhesives available on the market could meet all general requirements. The research institutes see great potential in a devel-opment of preapplicable melting adhesives towards greater flexibility and formability.

Due to the experiments and testing of component properties, the feasibility of the method was successfully demonstrated. The reinforcement and the hydroforming part can be joined without adapting the hydroforming process and the handling stability of the reinforcement is given by the form-lock, generated in the hydroforming process. To create an adhesive bond, pre-applicable adhesives can be used advantageously.

The locally reinforced hydroformed components show a significant increase in load capacity in the 3-point bending test. In the fatigue test with local tension loads on the reinforced area of the component, an improvement of life expectancy was detected.  In the crash test, local reinforcements also contribute to an improvement of the component behaviour. The risk of corrosion is minimized when the adhesive layer is optimal developed, resulting in passing the corrosion test after the EDP coating of the parts. The objective of this research project was achieved

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Kurzzeichenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1    Einleitung
2    Stand der Technik
3    Problemstellung und Zielsetzung
3.1    Problemstellung
3.2    Angestrebte Forschungsergebnisse und Vorgehensweise
4    Verfahrensgrundlagen
4.1    Prozessablauf
4.2    Anforderungen an die IHU-Anlage
4.3    Fügevarianten für die formschlüssige Verbindung
4.3.1    Übersicht und Einordnung möglicher Varianten
4.3.2    Variantendiskussion: Verstärkungsblechorientierter Ansatz
4.3.3    Variantendiskussion: Werkzeugorientierter Ansatz
4.3.4    Variantendiskussion: Mit Zusatzelement
5    Randbedingungen für Experiment und Simulation
5.1    Versuchswerkstoffe und deren Kennwerte
5.2    Werkzeuge und Versuchseinrichtung
5.3    Probenherstellung
6    Ausarbeitung einer Kleblösung
6.1    Prozessbedingte Anforderungen an die Kleblösung
6.2    Mögliche Klebstoffsysteme
6.2.1    Vorapplizierbare Klebstoffe
6.2.2    Während des Umformprozesses flüssige Klebstoffe
6.3    Auswahl der Klebstoffsysteme
6.4    Qualifizierung der Klebstoffsysteme
7    Numerische Simulation des Modellversuchs
7.1    Aufbau FE-Modell
7.2    Simulationsergebnisse Verstärkungsblech-Vorform
7.3    Simulationsergebnisse Verstärkungsblech-Gestaltungsvariante
8    Experimentelle Untersuchungen im Modellversuch
8.1    Randbedingungen, Parameter und Durchführung
8.2    Versuchsergebnisse
8.2.1    Untersuchung der Verstärkungsblech-Vorform
8.2.2    Untersuchung der Verstärkungsblech-Gestaltungsvarianten für die formschlüssige Verbindung
8.2.3    Untersuchung der Vorzugsvariante C2b
8.3    Auswertung
9    Möglichkeiten zur Integration von Zusatzfunktionen
10    Konzept für eine prozessfähige Klebstoffverarbeitung
10.1    Klebtechnische Prozessketten
10.2    Prüfung Konzept Schutzfolie für pastöse Klebstoffe
10.3    Konzepte für die industrielle Klebstoffapplikation
11    Festigkeitsuntersuchungen
11.1    Verstärkungsblech-Abzugskräfte bei unausgehärteter Klebschicht
11.2    Verstärkungsblech-Abzugskräfte bei ausgehärteter Klebschicht
11.3    Steifigkeit der verstärkten Bauteile im 3-Punkt-Biegeversuch
11.4    Crashverhalten der verstärkten Bauteile im Fallprüfstand
11.5    Ermüdungsprüfung der verstärkten Bauteile bei realitätsnaher Krafteinleitung
12    Korrosionsuntersuchungen
13    Anwendungsgebiete und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens
13.1    Anwendungsrichtlinien
13.2    Anwendungsgebiete
13.3    Wirtschaftlichkeit des Verfahrens
14    Projektergebnisse und Ausblick
15    Literatur
Anlagen