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EFB-Forschungsbericht Nr. 414

Bewertung der Schädigung in Faser-Verbund-Kunststoffen durch Stanznietprozesse

efb414

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Florian Augenthaler, M. Sc., Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn - Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude, Dipl.-Ing. Vinzenz Geske, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der Technischen Universität Dresden

154 Seiten (sw, 129 teils farbige Abb., 23 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-460-5

Preis (Digital) EUR 62,04

Preis (Print) EUR 78,00

Zusammenfassung

Im Zuge der Maßnahmen zur Gewichtsreduzierung im Karosseriebau konzentrieren sich aktuelle Entwicklungen auf innovative Leichtbaulösungen. Mehr und mehr finden daher Faser-Kunststoff-Verbunde in Fahrzeugen Einzug, da diese aufgrund ihrer exzellenten mechanischen Eigenschaften hohe Leichtbaugrade ermöglichen. Mischbauweisen dieser Materialien mit konventionellen metallischen Werkstoffen erzielen Synergieeffekte, die auf die optimale Nutzung der spezifischen Eigenschaften an der richtigen Stelle zurückzuführen sind.

Die Realisierung solcher Leichtbaustrukturen erfordert eine werkstoffgerechte und effiziente Fügetechnik, die für die Gewährleistung der Funktionalität eines Fahrzeuges essentiell ist. Vorlochfreie mechanische Fügeverfahren, wie das Voll- oder Halbhohlstanznieten, sind in der Lage, sofort tragfähige Verbunde in sehr kurzer Zeit zu bilden. Insbesondere bei zusätzlicher Verwendung von Klebstoff können so Bauteile fixiert werden und müssen nicht bis zur Klebstoffaushärtung in Haltevorrichtungen verbleiben.

Allerdings ist zu beachten, dass die Löcher im Stanzprozess nicht schädigungsfrei in die Faser-Kunststoff-Verbunde eingebracht werden können. Aufgrund mangelnder Duktilität und heterogenem Werkstoffaufbau kommt es in den benachbarten Regionen zu Faserbrüchen, Zwischenfaserbrüchen und Delaminationen, welche sowohl die Werkstoff- als auch die Verbindungseigenschaften negativ beeinflussen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens war daher die Analyse und Bewertung der durch die Stanznietprozesse bedingten Laminatschädigungen. Dazu wurde nach erfolgreicher Werkstoffentwicklung eines geeigneten FKV eine Methode erarbeitet, mittels derer alle metallischen Bestandteile einer stanzgenieteten Probe entfernt und die Schädigungen mittels der Computertomographie unter optimalen Voraussetzungen analysiert werden können. Diese wurden mithilfe einer modifizierten Porenanalyse mit einer Auswertesoftware quantifiziert.

Im Anschluss wurde der Einfluss einzelner Prozessgrößen auf den Schädigungszustand im Laminat untersucht, wobei ein ausgeprägter positiver Effekt bei der Verwendung von gelochten Stempeln mit Schneidkanten beobachtet wurde. In quasistatischen Festigkeitsuntersuchungen wurde gezeigt, dass Schädigungen die Druckfestigkeit sowie Lochleibungsfestigkeit der Laminate signifikant reduzieren können.

Ein Einfluss der Schädigungen bei zyklischer Belastung konnte dagegen nicht zweifelsfrei gefunden werden. Ebenso sind die Verbindungseigenschaften insbesondere im Fall des Hybridfügens nur zweitrangig von Schädigungen betroffen und werden vielmehr von der Bemusterung bestimmt. In In-Situ-CT-Untersuchungen wurde abschließend der Schädigungsfortschritt bei Belastung untersucht und bewertet.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Bewertung der Schädigung in Faser-Verbund-Kunststoffen durch Stanznietprozesse“ wurde unter der Fördernummer AiF 17667BG 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 Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 414 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

As part of the measures to reduce weight of car bodies the latest developments focus on innovative lightweight solutions. Therefore, fibre-reinforced plastics are used more and more in vehicles, as these enable high grades of lightweight because of their excellent specific mechanical properties. Multi material designs of these materials with conventional metallic components achieve synergies. The realization of such lightweight structures requires a suitable and efficient joining technology, which is essential for ensuring the functionality of a vehicle. Prehole free mechanical joining methods such as solid or semi-tubular self pierce riveting are able to create loadable joints in a very short time. In particular, with the additional use of adhesive components can be fixed and must not remain on mounting devices until the adhesive is cured.

However, it should be noted that the holes can not be brought into the composites in the stamping process without damage. Due to lack of ductility and the heterogeneous material structure fiber breaks, inter-fiber breaks and delaminations occur in the neighboring regions, which affect both the material and the connection properties negatively.

The aim of this research project was therefore to analyze and evaluate material defects induced by the self pierce riveting process. For this purpose, after the successful development of a suitable CFRP a method was created to remove all metallic components of a self pierce riveted sample and to be able to detect the damage by computed tomography under optimal conditions. These were quantified by using a modified pore analysis in an evaluation software. Following this, the influence of individual process variables was examined for the grade of damage in the laminate, whereby a particularly positive effect of the use of holed punches with cutting edges was observed. In quasi-static strength tests it was shown that induced damages can significantly reduce the compressive strength and bearing strength of laminates.

However, an influence of the damage under cyclic loading could not be found beyond doubt. Likewise, the connection properties are particularly in the case of hybrid joining only secondarily affected by damages and rather determined by the sampling. In in-situ CT investigations the damage progress under load has been tested and evaluated.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung / Summary
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1    Einleitung
2    Stand der Forschung
2.1    CFK-Werkstoff
2.1.1    Definition und Grundlagen
2.1.2    Bruchcharakteristika von Laminaten
2.2    Mechanische Fügetechnik
2.2.1    Vollstanznieten
2.2.2    Halbhohlstanznieten
3    Füge- und Prüfeinrichtungen
3.1    TOX – Vollstanznietanlage
3.2    TOX Pressotechnik CEU 15.00
3.3    Böllhoff Rivset Vario
3.4    Zwick Z 100
3.5    MTS Linearzylinder
3.6    Computertomograph
3.7    Fräsportal
4    Versuchswerkstoffe, Hilfsfügeelemente,   Probengeometrien
4.1    Metallische Fügeteilwerkstoffe
4.1.1    Ac-600 PX
4.1.2    HC340LA
4.2    Polymere Fügeteilwerkstoffe
4.2.1    CF-PA 66
4.2.2    CF-EP
4.3    Klebstoff
4.4    Hilfsfügeteile
4.4.1    Vollstanzniet Typ 094…
4.4.2    Halbhohlstanzniet C5x5 H4 FRK
4.5    Stahlwerkstoffe für Werkzeuge und Hilfsfügeteile
4.6    Probengeometrien
4.6.1    Scherzugprobe
4.6.2    Lochleibungsfestigkeit
4.6.3    Zug-Lochkerbfestigkeit
4.6.4    Druck-Lochkerbfestigkeit
4.6.5    Interlaminare Scherfestigkeit
4.6.6    Zugversuch Metall
4.6.7    Zugversuch CFK
4.7    Versuchswerkstoffe im Zugversuch
4.8    Bestimmung der interlaminaren Festigkeit
5    Methode zur geeigneten Prüfkörperherstellung (LWF)
5.1    Probenherstellung beim Vollstanznieten
5.2    Probenherstellung beim Halbhohlstanznieten
6    Prozesseinfluss auf den Schädigungsgrad (LWF)
6.1    Prozesseinflüsse beim Vollstanznieten
6.2    Prozesseinflüsse beim Halbhohlstanznieten
7    CT-Analyse der Schädigungen (ILK)
7.1    Probenvorbereitung
7.2    Methodik der Auswertung
7.3    Ergebnisse beim Vollstanznieten
7.3.1    Niederhalterkraft
7.3.2    Stanzgeschwindigkeit
7.3.3    Prägekraft
7.3.4    Schneidspalt
7.3.5    Prägering
7.3.6    Niederhaltertyp
7.3.7    Stempelgeometrie
7.4    Ergebnisse beim Halbhohlstanznieten
7.5    Fazit
8    Einfluss der Schädigungen auf die Laminatfestigkeit (LWF)
8.1    Lochkerbfestigkeit
8.1.1    Halbhohlstanznieten
8.1.2    Vollstanznieten
8.2    Lochleibungsfestigkeit
9    Einfluss der Schädigungen auf die Tragfähigkeit von Verbunden (LWF)
9.1    Elementares Vollstanznieten
9.2    Vollstanznietkleben
10    In-Situ-CT (ILK)
10.1    Einführung in situ Computertomographie
10.2    Methodik und untersuchte Proben
10.3    Ergebnisse
11    Projektergebnis
12    Literaturverzeichnis
12.1    Normen