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EFB-Forschungsbericht Nr. 248

Schaffung umformtechnischer Grundlagen bei der Verarbeitung von Metall-Kunststoff-Verbunden

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Sören Scheffler, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

104 Seiten (sw 80 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-208-3

Preis (Digital) EUR 69,00

Preis (Print) EUR 77,00

Zusammenfassung

Durch systematische Untersuchungen zum Werkstoffverbund und dessen Charakterisierung für die Verwendung in FE-Modellen sowie auf Basis umformtechnischer Untersuchungen wurden erste Richtlinien für die Verarbeitung dieser Werkstoffart geschaffen.

In einem ersten Teil wurden die für die Berechnung von Bauteilen aus modernen umformbaren Verbund- bzw. Sandwichblechen notwendigen Kennwerte für die Beschreibung des elastischen Verhaltens ermittelt. Die Abhängigkeit dieser Werte von den Prüfbedingungen wie Temperatur und Prüfgeschwindigkeit wurde in relevanten Versuchen berücksichtigt und aufgezeigt. Angegeben werden auch die aus der Sandwich-Theorie zu erwartenden Werte, die überwiegend gut mit den experimentell ermittelten Werten übereinstimmen.

Die dargestellten Ergebnisse der Kennwertermittlung zu den Verbundwerkstoffen beruhen dabei im einzelnen auf

  • Zugversuchen (bei den Hylite-Verbunden auch für die Einzelkomponenten) zur Ermittlung der Fließkurven,
  • Biegeversuchen zur Simulation der Belastung des Verbundblechs beim Haspelvorgang,
  • Schubversuchen zur Ermittlung der Schubspannungen, der Schubverzerrung bzw. der Schiebung,
  • Rollenschälversuchen zur Ermittlung des Schälwiderstandes,
  • Zug-Scherversuchen zur Untersuchung der Klebeverbindungen sowie
  • Drillversuchen zur Ermittlung des Ersatz-Schubmoduls.

Für die Umformsimulation (nicht Bestandteil dieses Forschungsvorhabens) wurden Fließkurven der Einzelkomponenten sowie der Verbunde bereitgestellt. Hierbei kam es zu einer sehr guten Übereinstimmung der Summenkurve der Einzelkomponenten mit dem Verhalten des Gesamtverbundes bei bestimmten Versuchsbedingungen (v = 2 mm/min, Raumtemperatur).

Weiterhin wurden zur Beschreibung des Kern- bzw. Interfaceversagens Werte im Rollenschälversuch und im Zugscherversuch ermittelt. Für die untersuchten Verbundwerkstoffe wurde abschliessend die jeweilige ABD-Matrix für eine direkte Eingabe in FE-Programme ermittelt, soweit diese es ermöglichen.

In umformtechnischen Untersuchungen mit beheizten Werkzeugen wurden Aussagen zum Rückfederungsverhalten, zum Biege- und Falzverhalten sowie zu den Tiefzieheigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur getroffen. Als Resultat liegen Anhaltspunkte für optimale Temperaturbereiche bzw. Werkzeuggeometrien in Abhängigkeit vom verwendeten Verbundwerkstoff und Umformverfahren zur Verbesserung der Umformergebnisse vor.

In Biegversuchen im 90°-Gesenk konnte für die Hylite-Verbunde eine Reduzierung der Rückfederung bei T = 90°C (Haltezeit: 5 sec bei F > 800 kN) um bis zu 1° gegenüber Raumtemperatur erreicht werden. Usilight wies ebenfalls ein verbessertes Verhalten auf (0,3°). Eine weitere Temperatursteigerung führt ebenso wie die Steigerung der Haltezeit UT und die weitere Erhöhung der Prägekraft zu keiner weiteren Verbesserung.

In Tief- und Streckziehversuchen konnte ebenfalls durch die Erhöhung der Umformtemperatur eine Verbesserung des Umformergebnisses erreicht werden. Gegenüber Raumtemperatur gelangen Steigerungen der möglichen Ziehtiefe um bis zu 50% für die Hylite-Verbunde bzw. 10% für den Usilight-Verbund. Die optimale Umformtemperatur betrug dabei T = 75°C, oberhalb dieses Wertes erwies sich die PP-Kunststoffschicht bereits als zu weich und führte zu Faltenbildung im Flanschbereich.

In Biege- und Falzversuchen wurde ebenfalls der positive Einfluss einer höheren Umformtemperatur auf das Umformergebnis nachgewiesen. Oberhalb von T = 60 °C konnten hier besonders für die Hylite-Verbunde deutliche Verbesserungen erzielt werden. Kleinere Biegekantenradien führten nicht mehr zu Rissen in der äußeren Deckschicht der Verbundwerkstoffe, da die entstehenden Spannungen in der äußeren Deckschicht in die zwischenliegende Kunststoffschicht ableitet werden konnten. Durch eine Stauchung der Umformzone des Gesamtverbundes (auf weniger als 50% der Ausgangsstärke) vor dem Falzprozess konnten für die Hylite-Verbunde hier weitere entscheidende Verbesserungen erzielt werden, da das Verhältnis von Biegekantenradius zu Blechdicke hierdurch positiv geändert wird.

Durch die vorliegenden Untersuchungsergebnisse liegen umfangreiche Erkenntnisse zum temperaturabhängigen Verhalten der untersuchten Metall-Kunststoff-Verbunde für FE-Modelle und für die Nutzung in der Umformtechnik vor.

Das Forschungsvorhaben "Schaffung umformtechnischer Grundlagen bei der Verarbeitung von Metall-Kunststoff-Verbunden" wurde unter der Fördernummer AiF 13581BR von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 248 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

0 Formelverzeichnis
1 Einleitung
2 Ausgangssituation
2.1 Stand der Forschung
2.2 Forschungsziel
2.3 Lösungsweg
3 Werkstoffcharakterisierung
3.1 Experimentelle Untersuchungen
3.1.1 Zugversuche
3.1.2 Biegeversuche
3.1.3 Schubversuch
3.1.4 Rollenschälversuch
3.1.5 Zug-Scher-Versuch
3.1.6 Drillversuch
3.2 Ermittlung der ABD-Matrix
4 Umformtechnische Untersuchungen
4.1 Modifizierung der Werkzeugsätze
4.2 Verwendete Werkzeuge und Pressen
4.3 Untersuchungen zum temperaturabhängigen Umformen
4.3.1 V-Biegen im Gesenk
4.3.2 Biege- und Falzversuche
4.3.3 Tiefziehversuche
5 Zusammenfassung
6 Literatur
7 Anlagen
8 Abbildungsverzeichnis