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EFB-Forschungsbericht Nr. 430

Prozessintegrierte Herstellung von Sandwichstrukturen

efb430

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch. Ing. Peter Groche, M. Sc. Arne Mann, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der Technischen Universität Darmstadt

112 Seiten (sw, 76 teils farbige Abb., 18 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-478-0

Preis (Digital) EUR 56,47

Preis (Print) EUR 70,65

Zusammenfassung

Der Bedarf nach effizientem Ressourceneinsatz erfordert wirtschaftlich herstellbare Leichtbaustrukturen. Dieses Ziel ist über die Grenzen der traditionellen leichtbaugetriebenen Industriezweige hinweg gültig. Das Projektziel war, die technologische Basis zur Herstellung der im Fokus stehenden Sandwichstruktur zu legen. Die untersuchte Sandwichstruktur basiert auf der Technologie des Kragenziehens und ist kernlos ausgeführt. Des Weiteren wurden in einem weiteren Teilprojekt die Leichtbaueignung und die Prozessintegration des Lötens detailliert untersucht.

Die betrachtete Sandwichstruktur weist folgenden Aufbau auf: Sie besteht aus zwei Blechdeckschichten, in die Vorlöcher mit dem gleichen Lochbild eingebracht werden. Im ersten Schritt dienen die Vorlöcher als Grundlage für das Kragenziehen, wobei jedes Deckblech einen eigenen spezifischen Kragendurchmesser aufweist. In einem Folgeschritt werden die gegenüberliegenden Kragen der Deckbleche ineinandergeschoben. Im letzten Schritt erfolgt das Fügen der einzelnen Kragen durch einen stoffschlüssigen oder mechanischen Verbund zur Kragenverbindung.

Das Projekt startete mit einer umfangreichen Auslegung mit struktureller Optimierung der Sandwichstruktur. Letztere wurde hinsichtlich einer maximalen Biegesteifigkeit und unter den Randbedingungen des Prozessfensters des Kragenziehens durchgeführt. Des Weiteren wurde die Anordnung der Kragenverbindungen auf der Sandwichstruktur und die geometrischen Abmessungen der Kragen optimiert. Darauf folgte die numerische Prozessabbildung des Kragenziehens, welche die Grundlage zur Umsetzung der Kragenverbindung von ineinandergeschobenen Kragen bildet.

Die Herausforderung durch den Fügeprozess Löten bestand in der Realisierung der hohen Präzision der Positionierung und der geometrischen Abmessungen der Kragen.

Das Gesamtprojekt setzte den in der Auslegung ausgearbeiteten Herstellungsprozess um. Hierbei erfolgte eine detaillierte Untersuchung der einzelnen Herstellungsschritte des Kragenziehens und des Lötens, wobei die experimentellen Untersuchungen die Simulationsergebnisse verifizierten. Die Kragenziehprozesse lieferten die geforderten Genauigkeiten zur Herstellung der Lötverbindung. Ebenso wurde die ausgelegte Lötverbindung der Kragenverbindung erfolgreich realisiert.

Zusätzlich dazu wurden Konzepte zur Prozessintegration des Lötens erarbeitet und Vorversuche durchgeführt. Es folgte die Untersuchung zur Leichtbaueignung der Lötverbindung anhand des 3-Punkt-Biegeversuchs. Hierbei zeigte die Lötverbindung keine höhere Maximalbelastbarkeit der Sandwichstruktur gegenüber mechanisch gefügten Strukturen. Die Konzepte der Prozessintegration wurden aus diesem Grund nicht weiter verfolgt.

Das Projekt endete mit der Umsetzung der optimierten Demonstratoren. In einem Ausblick wurden diese anwendungsnahen Beanspruchungsszenarien unterzogen. Die Ziele des Forschungsvorhabens wurden erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Prozessintegrierte Herstellung von Sandwichstrukturen" wurde unter der Fördernummer AiF 17933N 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. 430 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The demand for an efficient use of resources requires a profitable manufacturing of light-weight structures. At this point, this objective is valid beyond the boundaries of traditional lightweight driven industries. The project aimed for the development of a technological basis for the production of sandwich structures. The sandwich structure in focus was based on the technology of collar drawing and is designed as a coreless sandwich structure. In addition, the lightweight suitability and process integration of brazing was investigated.

The sandwich structure in focus consisted of two cover sheets. The cover sheets were prepunched with the same hole pattern. The pre-holes were used for collar forming. Each cover sheet had its own collar diameter. In a subsequent step, the opposite collars of the cover sheets slid into one another. The resulting collar-connection was joined by a metallurgical or mechanical joint.

The project started with the design of the sandwich structure. The design included a struc-tural optimization of the sandwich structure. The optimization was performed within the boundary conditions of the process window of collar forming with regard to a maximum bending stiffness. Whereby, the geometric parameters of the collars were set within the collar forming process window.

Furthermore, the arrangement of the collars on the sheet had been optimized with regard to a maximum bending stiffness and bending strength. Subsequently, the collar forming process was numerically investigated. Hereby, the collar connection, consisting of two collars, was designed. The challenge was to fulfill high demands on the positional and geometric accuracy, which were required by the brazing process.

The designed manufacturing process was implemented. A detailed examination of the individual production steps was performed. The simulation results of the collar drawing were successfully verified. The required accuracy for the brazing process was confirmed and implemented successfully in collar connections joined by brazing. The lightweight suitability of brazing was studied by the 3-point bending test. In this test the sandwich structure with brazed joints did not show higher maximum load capacity in comparison to mechanically joined structures. In addition, concepts for process integration of brazing were elaborated.

Finally, the optimized demonstrators of the project had been implemented. The sandwich structure was tested in an application-oriented load scenario, which showed promising results. The objectives of this research project were achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Sandwichstrukturen
2.2 Lochen und Kragenziehen
2.3 Fügen durch Weiten
2.4 Löten
2.5 Prozessintegration
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Auslegung der Sandwichstruktur
4.1 Randbedingungen der Auslegung
4.2 Lötgerechte Auslegung der Kragenverbindung
4.3 Auslegung des kraftschlüssigen Verbunds
4.3.1 Elastische Auslegung des Pressverbands
4.3.2 Elastisch-plastische Auslegung des Pressverbandes
4.4 Optimale Kragenparameter für Biegebelastung
4.5 Auslegung der Kragenziehprozesse
4.6 Optimierung der Kragenanordnung
4.7 Umgesetzte Werkzeuggeometrien
5 Fertigungskette der Kragenverbindung
5.1 Kragenziehen
5.1.1 Bestimmung des maximalen Aufweitverhältnisses
5.1.2 Auswertung des Kragenziehens
5.2 Mechanisches Fügen der Kragenverbindung
5.3 Stoffschlüssiges Fügen der Kragenverbindung durch Löten
5.4 Positionsgenauigkeit der Kragen
5.5 Biegeversuche an der Kragenreihe
5.5.1 Fügeweisen der Kragenverbindung
5.5.2 Gegenüberstellung der Materialien und Ziehringkantenradien
5.5.3 Gegenüberstellung verschiedener Lote
6 Prozessintegration des Lötens
6.1 Integration von Prozessschritten
6.2 Integriertes Lötkonzept
7 Sandwichstruktur
7.1 Anwendungsfall
8 Ausblick
9 Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literaturverzeichnis
10.1 Im Projekt durchgeführte studentische Arbeiten
10.2 Verwendete Literaturquellen
11 Anhang
11.1 Materialdaten