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EFB-Forschungsbericht Nr. 415

Erweiterung der Verfahrensgrenzen durch serielles Halbhohlstanznieten

efb415

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dirk Landgrebe, Dipl.-Ing. Mathias Jäckel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

156 Seiten (sw, 124 teils farbige Abb., 2 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-461-2

Preis (Digital) EUR 87,35

Preis (Print) EUR 109,91

Zusammenfassung

Die Zielstellung des Projektes bestand in der Erweiterung der Verfahrensgrenzen des mechanischen Fügeverfahrens Halbhohlstanznieten bei bisher kritischen Anwendungsszenarien wie der Fügerichtung „dick in dünn“, dem Fügen von sprödem Aluminiumdruckguss und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff sowie beim Halbhohlstanznietkleben durch den Einsatz eines neuen Matrizenkonzeptes. Kern der neuen Verfahrensvariante ist die Teilung der Matrize in Matrizenring und Gegenstempel, wobei der Gegenstempel während des Fügeprozesses verfahren wird.

Durch den Einsatz der zusätzlichen Kinematik des Matrizenwerkzeuges können bei allen untersuchten Anwendungsszenarien deutliche Verbesserungen in Bezug auf die Fügepunktausbildung im Vergleich zum konventionellen Prozess erreicht werden.

Besonders großes Potenzial weist die neue Verfahrensvariante mit geteilter Matrize beim Halbhohlstanznieten spröder Werkstoffe auf. Dabei kann durch ein kraftgeregeltes Verfahren des Gegenstempels und der daraus resultierenden zusätzlichen Druckspannungsüberlagerung der Fügeteile, im Gegensatz zum konventionellen Halbhohlstanznieten, die durch den Fügeprozess verursachte Rissbildung in den Fügeteilen vollständig vermieden werden.

In den numerischen Untersuchungen konnte ein grundlegendes Prozessverständnis für das Halbhohlstanznieten mit geteilter Matrize generiert und wesentliche Einflussgrößen auf das Fügeergebnis dargestellt werden.

Der im Projekt realisierte, durchgängige Vergleich zwischen dem konventionellen Halbhohlstanznieten und der neuen Verfahrensvariante mit geteilter Matrize in Bezug auf Fügepunktausbildung, Verbindungsfestigkeit und fügeprozessbedingter Bauteildeformation gibt Aufschluss über die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Halbhohlstanznietverfahren.
Das Ziel des Projektes wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Erweiterung der Verfahrensgrenzen durch serielles Halbhohlstanznieten“ wurde unter der Fördernummer AiF 16699BR 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. 415 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The aim of this project was to extend the process limits of the mechanical joining technique self-pierce riveting in currently critical application scenarios such as the joining direction "thick in thin", the joining of cast aluminum with limited ductility and carbon fiber reinforced plastics as well as the combination of self-pierce riveting with adhesive through the use of a new die concept. Core of the new process variant is the separation of the die in a die ring and counter punch in which the counter punch is moved during the joining process.

Through the use of the additional kinematics of the die tool significant improvements with respect to the joint quality compared to the conventional process can be achieved at all investigated application scenarios.

Especially remarkable potential has the new process variant with separated die when joining materials with limited ductility. By the application of the force-controlled counter punch and the resulting additional superposition of the parts with compressive stresses, in contrast to the conventional self-pierce riveting, cracking in the parts can be avoided completely.

In the numerical studies, a basic understanding of the new self-pierce riveting process was generated and the main influence factors on joint quality could be identified.

The in the project realized, consistent comparison between the conventional and the new self-pierce riveting technique with respect to joint quality, joint strength and process-induced component deformation provides information on the advantages and disadvantages of the different self-pierce riveting technologies.
The aim of the research project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abstract
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1    Einleitung
2    Stand der Technik
2.1    Halbhohlstanznieten
2.1.1    Einordung, Verfahrensprinzip und Anwendung
2.1.2    Halbhohlstanznieten duktiler Blechwerkstoffe
2.1.3    Halbhohlstanznieten spröder Werkstoffe
2.1.4    Halbhohlstanznieten von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
2.1.5    Numerische Beschreibung des Halbhohlstanznietprozesses
2.2    Halbhohlstanznietkleben
2.3    Matrizenwerkzeugkonzepte beim mechanischen Fügen
3    Problemstellungen
3.1    Hinterschnittbildung bei der Fügerichtung „dick in dünn“
3.2    Klebstoffeinschlüsse beim Hybridfügen von Stahl- in Aluminiumblech
3.3    Rissbildung in den Fügeteilen beim Fügen von sprödem Aluminiumdruckguss
3.4    Fügeprozessbedingte CFK-Schädigungen
4    Zielstellung, Lösungsansatz und Methodik
4.1    Zielsetzung
4.2    Lösungsansatz – Serielles Halbhohlstanznieten mit Gegenstempelwegregelung
4.3    Lösungsansatz – Serielles Halbhohlstanznieten mit Gegenstempelkraftregelung
4.4    Methodik bei der Verfahrensentwicklung des seriellen Halbhohlstanznietens
5    Technologische und werkzeugtechnische Vorbetrachtungen
5.1    Versuchseinrichtung mit Zusatzachse
5.2    Werkstoffe und Kombinationen
5.3    Hilfsfügeelemente und Werkzeuge
5.4    Halbhohlstanznietkleben und Kleben
5.5    Prüfmethoden
5.5.1    Fügepunktanalyse
5.5.2    Prüfung des Tragverhaltens der Verbindungen
5.5.3    Untersuchung der durch den Fügeprozess verursachten Bauteildeformationen
5.5.4    CT-Messungen fügeprozessbedingter CFK-Schädigungen
6    Simulationsmodelle
6.1    Konventionelles Halbhohlstanznieten
6.2    Serielles Halbhohlstanznieten
7    Ergebnisse des seriellen Halbhohlstanznietens bei unterschiedlichen Anwendungsszenarien
7.1    Aluminium- in Aluminiumblech bei der Fügerichtung „dick in dünn“
7.1.1    Validierung des Simulationsmodells anhand der konventionellen Referenzverbindung
7.1.2    Numerische Prozessentwicklung und -analyse
7.1.3    Experimentelle Untersuchung zur Fügepunktausbildung
7.1.4    Gegenüberstellung der Verbindungsfestigkeiten
7.1.5    Gegenüberstellung der fügeprozessbedingten Bauteildeformationen
7.1.6    Fazit
7.2    Stahl- in Aluminiumblech in Kombination mit dem Kleben
7.2.1    Validierung des Simulationsmodells anhand der konventionellen Referenzverbindung
7.2.2    Numerische Prozessentwicklung und -analyse
7.2.3    Experimentelle Untersuchung zur Fügepunktausbildung
7.2.4    Gegenüberstellung der Verbindungsfestigkeiten
7.2.5    Gegenüberstellung der fügeprozessbedingten Bauteildeformationen
7.2.6    Fazit
7.3    Aluminiumblech in spröden Aluminiumdruckguss
7.3.1    Validierung des Simulationsmodells anhand der konventionellen Referenzverbindung
7.3.2    Numerische Prozessentwicklung und -analyse
7.3.3    Experimentelle Untersuchung zur Fügepunktausbildung
7.3.4    Gegenüberstellung der Verbindungsfestigkeiten
7.3.5    Gegenüberstellung der Bauteildeformationen
7.3.6    Fazit
7.4    Dreilagenverbindung mit sprödem Aluminiumdruckguss in Mittellage
7.4.1    Experimentelle Untersuchungen zur Fügepunktausbildung
7.4.2    Gegenüberstellung der Bauteildeformationen
7.4.3    Fazit
7.5    CFK in Aluminiumblech
7.5.1    Experimentelle Untersuchungen zur Fügepunktausbildung
7.5.2    CT-Analyse fügeprozessbedingter CFK-Schädigungen
7.5.3    Halbhohlstanznieten von vorgebohrtem CFK
7.5.4    Gegenüberstellung der Verbindungsfestigkeiten
7.5.5    Fazit
8    Projektergebnisse und Ausblick
9    Literatur
10    Anlagen