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EFB-Forschungsbericht Nr. 424

Taschenbildung und Klebstoffverdrängung zwischen Hybridfügepunkten

efb424

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dirk Landgrebe, Dipl.-Ing. (FH) Stephan Niese, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik - Prof. Dr.-Ing. Bernd Mayer, Dr.-Ing. Holger Fricke, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Bremen

152 Seiten (sw, 108 teils farbige Abb., 3 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-471-1

Preis (Digital) EUR 71,03

Preis (Print) EUR 89,00

Zusammenfassung

Die Reduzierung des Fahrzeuggewichtes und die damit verbundene Verringerung des Kraftstoffverbrauches ist eine der Hauptanforderung an neue Konstruktionen. Daher stellt das Multi-Material-Design ein immer größeres Einsatzgebiet im Rohbaustadium von Fahr-zeugen dar. Zum Erstellen dieser Mischbauverbindungen haben sich mechanische Fügeverfahren und zunehmend auch das Kleben mit 1K-Strukturklebstoffen auf Epoxidharzbasis etabliert. Aus der Zusammenführung der spezifischen Vorteile der beiden Fügetechniken (Hybridfügen) ergeben sich im Karosseriebau Synergien für die Qualität und Zuverlässigkeit der Verbindungen. Separat als optimal ermittelte Werkzeug- und Verfahrensparameter lassen sich nicht direkt auf die Hybridfügetechnik übertragen. Klebstoff und mechanischer Fügeprozess stellen ein miteinander wechselwirkendes System dar.

Gegenstand des Projektes ist das Hybridfügen, bestehend aus Halbhohlstanznieten und Clinchen in Kombination mit heißhärtenden, strukturellen Klebstoffen und Fügeteilen aus Aluminium nach der Fixiermethode. Dabei bilden sich sowohl Klebstofftaschen im Bereich der mechanischen Fügepunkte sowie Klebstofftaschen zwischen den mechanischen Fügepunkten. Die Entstehung der Klebstofftaschen im Bereich der mechanischen Fügepunkte während des Hybridfüge-prozesses wurde bereits im Vorhaben [Neu11] durch Experimente und Simulationen untersucht.

Dieser Bericht untersucht die Bildung von Klebstofftaschen zwischen Hybridfügepunkten resultierend aus der Verdrängung des pastösen Klebstoffes während der hybriden Fügeprozesse sowie die Veränderung der Fügeverbindungen bei Härtung des Klebstoffes im Ofen. Dazu werden komplementär experimentelle und numerische Methoden eingesetzt. In den experimentellen Untersuchungen des Fraunhofer IWU werden die Klebstoffverdrängung und die Deformation der Fügeteile während des Fügeprozesses im zeitlichen Ablauf erfasst. Dazu werden zwei optische Messverfahren qualifiziert und angewandt. Die numerischen Arbeiten des Fraunhofer IFAM führen zu der Entwicklung einer neuartigen Methode zur Simulation der Taschenbildung zwischen Hybridfügepunkten, die sich auf industrierelevante Bauteile anwenden lässt. Experiment und Simulation werden dabei ergänzend genutzt, um ein tieferes Verständnis über den Prozess der Taschenbildung zu erzielen.

Die Untersuchungen führen zu folgender Hypothese: Während des mechanischen Fügeprozesses wird durch die Fügeelemente und die schließenden Werkzeuge fluider Klebstoff aus dem Bereich des mechanischen Fügepunkts verdrängt. Durch die hohe Viskosität der üblichen Klebstoffe breitet sich das Fluid nicht innerhalb der Prozesszeit bis zum Rand der Fügeteile aus. Das viskose Medium dämpft hingegen die Annäherung der Fügeteile. Das dynamische Kräfteverhältnis zwischen der Klebspaltverengung durch den mechanischen Fügeprozess und der Gegenkraft des viskosen Klebstoffes führt zu einer sich radial zur Fügepunktachse ausbreitenden Klebstoffwelle, die schließlich in einer bestimmten Entfernung zur Achse „verebbt". Die Taschenbildung zwischen Hybridfügepunkten resultiert daher aus der Überlagerung von zwei aus gegensätzlichen Richtungen kommenden „verebbenden Klebstoffwellen".

Die experimentellen und numerischen Untersuchungen in diesem Projekt stützen diese Hypothese zur Taschenbildung. Auf Ihrer Grundlage wurden Experimente und Simulationen zur Taschenbildung an zunächst einfachen, später an einem industrienahen Bauteil untersucht. Abschließend wurden Handlungsempfehlungen zur Optimierung des Hybridfügeprozesses abgeleitet.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Taschenbildung und Klebstoffverdrängung zwischen Hybridfügepunkten" wurde unter der Fördernummer AiF 17534BG 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 (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 424 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

One of the main requirements as far as new constructions are concerned is the reduction of weight of car bodies, and as a result reduction of fuel consumption. That is why multi-material design is a central topic in the development of car bodies. To generate these hybrid structures mechanical joining technologies, as well as adhesive bondings with epoxy resin based adhesive, have been established. The combination of these two joining technologies, and their specific advantages, ensure quality and reliability of the joining in body construction. Optimal parameters for tools and methods of each technology cannot be simply transferred to hybrid joinings. Adhesive and mechanical joining technologies are a system with complex interactions. Focus of the present research is the hybrid joining of self-piercing riveting and clinching in combination with heat curing, structural adhesive and aluminum joining parts. During this process adhesive bags in the area of the joinings, as well as between two joining points, are prone to result. The experimental and numerical formation of adhesive bags in the joining area was topic of a former research [Neu11].

The current report summarizes investigates the formation of adhesive bags between hybrid joints caused by the displacement of adhesive during the mechanical joining process and by the thermal curing process. For that purpose experimental and numerical methods were used. The experimental studies at the Fraunhofer IWU show the adhesive displacement and the deformation of the joining parts during the joining process, where two optical measuring methods are developed, qualified and successfully applied. The numerical studies of the Fraunhofer IFAM result in the development of a new simulation method to describe the formation of adhesive bags between hybrid jointing points. The described method is able to be used for components with relevance for the industry. Experiments and simulations are used to get a better understanding of the forming process of adhesive bags.

The investigation lead to the following hypothesis: in the mechanical joining process the fluid adhesive is pushed out of the joining point area. By the use of widely used adhesives with high viscosity, the fluid is not fully pushed to the edges of the joining parts; in fact it damps the closing of the adhesive gap between the metallic parts. The dynamic balance of forces between the changing adhesive bags due to the mechanical joining, and the reaction force of the adhesive, lead to an adhesive wave that spreads radially to the axis of joining point, which is ebbing away at a specific distance. The formation of adhesive bags between hybrid joining points results of an overlap of two approaching ebbing adhesive waves.

The experimental and numerical investigation of the current research support the above-mentioned hypothesis of the formation of adhesive bags. Experiments and simulations were executed first with simple parts, subsequently on parts which are near to industrial demands. Finally, recommendations for optimization of the hybrid joining process are made.
The goal of this research project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Summary
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Ausgangssituation
3 Stand der Technik
3.1 Halbhohlstanznieten
3.2 Clinchen
3.3 Kleben
3.4 Hybridfügen
3.5 Stand der Technik Simulation Hybridfügen
3.5.1 Simulation des mechanischen Fügens
3.5.2 Gekoppelte Simulationen
3.5.3 Simulation der Warmaushärtung von Klebstoffen
3.5.4 Simulation des Hybridfügens
4 Problemstellung und Zielsetzung
4.1 Problemstellung
4.2 Zielsetzung
5 Lösungsweg
5.1 Methodischer Ansatz
5.2 Modellbauteile
6 Werkzeuge und Messtechnik
6.1 Fügezange
6.2 Roboter ABB IRB7600
6.3 Optische Messtechnik
6.4 Point Tracking
7 Verwendete Materialen und Kennwertermittlung
7.1 Charakterisierung Blechmaterial
7.2 Klebstoffcharakterisierung
7.3 Fügeverfahren, Niete und Matrize
8 Versuchsvorrichtungen
8.1 Probenpräparation und Klebstoffapplikation
8.2 Positioniervorrichtungen für das Fügen
8.3 Positioniervorrichtungen für die Vermessung gefügter Proben
8.4 Aufbau zur Erfassung des Aushärtevorganges
9 Entwicklung und Konzept eines Ersatzmodells
9.1 Schritt 1: Aufbau des Lokalmodell
9.2 Schritt 2: Datenextraktion aus dem Lokalmodell
9.3 Schritt 3: Speicherung der extrahierten Daten in neutralem Austauschformat
9.4 Schritt 4: Aufbau des Globalmodells für Mehrpunktproben
9.5 Schritt 5: Transfer der Randbedingungen zum Globalmodell
9.6 Schritt 6: Berechnung des Globalmodells
10 Durchführung der Experimente
10.1 Variation der Versuchsparameter
10.2 Hybridfügeversuche mit Rondenproben
10.2.1 Verschiebungs- und Klebstoffspaltmessung mittels optischen Messsystemen
10.2.2 Verschiebungs- und Klebstoffspaltmessung mittels Point Tracking
10.2.3 Einfluss des Aushärteprozesses auf die Klebstoffverteilung der Rondenproben
10.2.4 CT-Untersuchung
10.3 Versuche mit bauteilähnlichen Zweipunktproben
10.3.1 Taschenbildung
10.3.2 Globale Deformation
10.4 Versuche mit bauteilähnlichen Hutprofilproben
10.4.1 Taschenbildung Fügeprozesses während dem Fügeprozess
10.4.2 Taschenform nach dem Fügeprozess
10.4.3 Vermessung der Hutprobe nach dem Aushärteprozess
11 Simulation Von Modellbauteilen, Validierung Und Parametervariation
11.1 Simulation von Rondenproben
11.2 Simulation von Zweipunktproben
11.2.1 Zweipunktproben mit einer Flanschtiefe von 100mm
11.2.2 Zweipunktproben mit einer Flanschtiefe von 18mm
11.2.3 Einführung eines richtungsabhängigen Parameters
11.3 Simulation eines Hutprofils
11.4 Simulation der thermischen Härtung
12 Wirkzusammenhänge Und Auslegungsrichtlinien
12.1 Generelle Wirkzusammenhänge
12.2 Auslegungsrichtlinien
12.3 Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse in KMU
12.4 Voraussichtlicher Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU
12.5 Voraussichtliche industrielle Umsetzung der FuE-Ergebnisse
12.6 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen insbesondere für KMU
13 Literaturverzeichnis
14 Anhang
14.1 Anhang 1: Vergleichsmessungen zu Messmarkengröße und Auswertungsalgorithmus
14.2 Anhang 2: Parametervariationen der Rondenproben und deren Verformungen
14.3 Anhang 3: Parametervariationen der Rondenproben und deren Klebstoffverteilungen
14.4 Anhang 4: Globale Deformation der Zweipunktproben mit verschiedenen Punktabständen
14.5 Anhang 5: Klebstofftaschenhöhe beim HHSN vor dem Aushärten (Skalierung 2,0 – 3,2 mm)