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EFB-Forschungsbericht Nr. 216

Optimierung der Fertigungsparameter des Mechanischen Fügens für den Einsatz mit dem Kleben zum Verbinden dünner Bleche

EFB216.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Tim-Michael Wibbeke, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik LWF, Universität Paderborn

178 Seiten (Sw 33, 78 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-173-4

Preis (Digital) EUR 81,00

Preis (Print) EUR 91,00

Zusammenfassung

Im Rahmen des Projektes wurde der Einsatz marktetablierter Halbhohlstanzniet- und Clinchsysteme in Kombination mit dem Kleben zum Verbinden dünnwandiger Stahl- und Aluminiumwerkstoffe untersucht. Hierbei wurde zunächst in einer ersten Projektphase das Einsatzpotential handelsüblicher Clinch-und Halbhohlstanznietsysteme in Kombination mit dem Kleben untersucht. Als Ausgangsbasis für die Optimierungsphase wurden systematische Untersuchungen zur Klebstoffverlagerung während des Hybridfügens durchgeführt. Zur Analyse der Klebstoffverlagerung wurden die Fügeprozesse nach diskreten Stadien abgebrochen, der Klebstoff in dieser Position ausgehärtet, Makroschliffe angefertigt und beurteilt. Im Anschluss daran wurden die Tragfähigkeiten unter quasistatischer Scherzugbelastung an ausgehärteten und unausgehärteten hybridgefügten Verbindungen ermittelt.

Aus diesen Untersuchungen wurden die Mechanismen, die zu den ungünstigen Ausprägungen der mechanischen Fügeelemente geführt haben, analysiert und Ansätze zur Wahl von zielführenden Fügeparametern abgeleitet. Bezogen auf das Halbhohlstanznietkleben und Clinchkleben zeigten sich insbesondere negative Ausprägungen des mechanische Fügeelementes bei den Verbindungen mit einer Gesamtblechdicke < 2 mm. Im Rahmen der Untersuchungen zum Halbhohlstanznietkleben und Clinchkleben zeigte sich eine besonders negative Beeinflussung an der Werkstoffkombination DC04, t=0,6 mm in DC04, t=0,6 mm, bei der es zu keiner Hinterschnittausprägung kam.

An den übrigen Stahlblechkombinationen konnten beim Halbhohlstanznietkleben Hinterschnitte prozesssicher realisiert werden, jedoch mit einer deutlichen Minimierung um bis zu 30 %. Die negative Beeinflussung der Fügeelementausprägung basiert primär darauf, dass durch Einleitung der Niederhalterkraft der Klebstoff unter den Niederhalter fließt, sich dort ansammelt und eingeschlossen wird und somit eine Klebstofftasche bildet. Zudem war generell mit einer Abnahme der Einzelblechdicke sowie der Fügeteilstreckgrenze eine Vergrößerung der negativen Effekte auf die Ausbildung der mechanischen Fügeelemente zu detektieren. Diese Ergebnisse spiegelten sich auch in den ermittelten Tragfähigkeiten unter quasistatischer Scherzugbelastung wieder. Hier konnte insbesondere im Rahmen der Ermittlung der Verbindungsfestigkeiten an Proben mit unausgehärtetem Klebstoff eine Korrelation zu der Größe der Hinterschnittausprägung im matrizenseitigen Fügeteil festgestellt werden. Diese Effekte sind insbesondere vor dem Hintergrund einer notwendigen Handlingsfestigkeit in Teilschritten der Prozesskette als kritisch zu bewerten.

In der Optimierungsphase wurden sowohl die Fertigungsparameter des Mechanischen Fügens, wie Fügestempelgeschwindigkeit, Niederhalterkraft, Niethärte, Kinematik des Setzprozesses als auch die Parameter des Klebens, wie Klebstoffviskosität, Klebschichtdicke und Klebstoffauftragsform systematisch variiert. Durch die Optimierung der Fertigungsparameter des Halbhohlstanznietklebens unter Einsatz handelsüblicher Halbhohlstanznietsysteme und Klebstoffe konnten alle untersuchten Werkstoffkombinationen im Labormaßstab prozesssicher verbunden werden. Insbesondere durch die Kombination aus Erhöhung der Niethärte, Reduzierung der Niederhalterkraft von 2,6 auf 1,2 kN sowie Erhöhung der Fügestempelgeschwindigkeit von 10 auf 30 mm/s konnten signifikante Verbesserungen der Fügeelementausprägung realisiert werden. Durch den Einsatz eines niedrigviskosen Klebstoffs sowie mittels unterbrochenen Klebstoffraupen beim Hybridfügen konnte eine verbesserte Klebstoffverdrängung aus dem Niederhalterbereich und damit tragfähige geschlossene Verbindungen auch mit unausgehärtetem Klebstoff hergestellt werden.

Durch die im Rahmen des Projektes durchgeführten Untersuchungen wurden den Anbietern und Anwendern von Hybridfügetechnologien, die spezifischen Herausforderungen und erforderlichen Optimierungsmaßnahmen für Klebstoff-, Clinch- und Halbhohlstanznietsysteme aufgezeigt, welche bei der Herstellung von Dünnblechverbindungen aus Stahl- und Aluminiumwerkstoffen mittels wärmearmer Hybridfügetechniken zu beachten sind. Für diese Fügesysteme wurden Hinweise zum prozesssicheren und wirtschaftlichen Einsatz abgeleitet. Darüber hinaus wurden die Verfahrensgrenzen des Halbhohlstanznietklebens und Clinchklebens für den Einsatz als Verbindungstechnik für Strukturen mit einer Gesamtblech-dicke kleiner 1,5 mm ausgeweitet.

Das Forschungsvorhaben „Optimierung der Fertigungsparameter des Mechanischen Fügens für den Einsatz mit dem Kleben zum Verbinden dünner Bleche“ wurde unter der Fördernummer AiF. 13107N 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. 216 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

I Inhaltsverzeichnis
II Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Zielsetzung und Arbeitsprogramm
3 Stand der Erkenntnisse
3.1 Fügen von dünnen Blechverbindungen aus Stahl- und Aluminiumwerkstoffen
3.2 Einordnung und Charakterisierung der Stanzniettechnologie
3.3 Einordnung und Charakterisierung der Clinchtechnologie
3.4 Fügetechnologie Kleben
3.5 Hybridfügen
4 Versuchseinrichtungen und Probengeometrien
4.1 Prüfmaschinen und Probengeometrien zur Kennwertermittlung
4.2 Versuchseinrichtungen und Probenherstellung
4.2.1 Versuchsstand zum Stanznieten mit Halbhohlstanzniet
4.2.2 Fügeeinrichtung zum Clinchen mit dem System TOX
4.2.3 Fügeeinrichtung zum Clinchen mit dem System BTM Tog-L-Loc
4.2.4 Probenherstellung
5 Versuchswerkstoffe
5.1 Fügeteilwerkstoffe
5.2 Klebstoffsysteme
6 Ermittlung der Einflüsse von Klebschichten auf die Verbindungseigenschaften
6.1 Halbhohlstanznietkleben
6.1.1 Fügeelementausprägungen der Werkstoffkombination DC04 in DC04
6.1.2 Trag- und Versagensverhalten der Werkstoffkombination DC04 in DC04
6.1.3 Fügeelementausprägungen der Werkstoffkombination DP500 in DP500
6.1.4 Trag- und Versagensverhalten Werkstoffkombination DP500 in DP500
6.1.5 Fügeelementausprägungen der Werkstoffkombination AlMg0,4Si1,2 in AlMg0,4Si1,2
6.1.6 Trag- und Versagensverhalten der Werkstoffkombination AlMg0,4Si1,2 in AlMg0,4Si1,2
6.1.7 Fügeelementausprägungen der Werkstoffkombination DC04 in AlMg0,4Si1,2
6.2 Clinchkleben mittels ungeteilter Matrize
6.2.1 Fügeelementausprägungen der Werkstoffkombination DC04 in DC04
6.2.2 Trag- und Versagensverhalten der Werkstoffkombination DC04 in DC04
6.2.3 Fügeelementausprägungen der Werkstoffkombination DP500 in DP500
6.2.4 Trag- und Versagensverhalten Werkstoffkombination DP500 in DP500
6.2.5 Fügeelementausprägungen der Werkstoffkombination AlMg0,4Si1,2 in AlMg0,4Si1,2
6.2.6 Trag- und Versagensverhalten der Werkstoffkombination AlMg0,4Si1,2 in AlMg0,4Si1,2
6.3 Clinchkleben mittels geteilter Matrize
6.3.1 Fügeelementausprägungen der Werkstoffkombination DC04 in DC04
6.3.2 Trag- und Versagensverhalten der Werkstoffkombination DC04 in DC04
6.3.3 Fügeelementausprägungen der Werkstoffkombination DP500 in DP500
6.3.4 Trag- und Versagensverhalten Werkstoffkombination DP500 in DP500
6.3.5 Fügeelementausprägungen der Werkstoffkombination AlMg0,4Si1,2 in AlMg0,4Si1,2
6.3.6 Trag- und Versagensverhalten der Werkstoffkombination AlMg0,4Si1,2 in AlMg0,4Si1,2
6.4 Diskussion der Ergebnisse und Ableitung von Optimierungsansätzen
7 Gezielte Variation der Prozessparameter des Mechanischen Fügens und der Klebstoffparameter
zur Reduzierung der negativen Einflüsse von Klebschichten auf das Hybridfügen
7.1 Halbhohlstanznietkleben
7.1.1 Einfluss der Fügestempelgeschwindigkeit
7.1.2 Einfluss der Niederhalterkraft
7.1.3 Kombination der optimierten Prozessparameter des Mechanischen Fügens
7.1.4 Einsatz einer impulsförmig oszillierenden Fügekrafteinleitung
7.1.5 Einfluss der Klebstoffviskosität
7.1.6 Einfluss der Klebschichtdicke
7.1.7 Einfluss der Klebstoffauftragsform
7.1.7.1 Variation der Klebstoffauftragsform durch Einsatz unterschiedlicher Raupenprofile
7.1.7.2 Variation der Klebstoffauftragsform durch Applikation einer unterbrochenen Klebstoffraupe
7.1.8 Diskussion der Optimierungsergebnisse und Auswahl optimierter Prozessparameter
7.2 Clinchkleben mittels ungeteilter Matrize
7.2.1 Einfluss der Fügestempelgeschwindigkeit
7.2.2 Einsatz eines „Voreilenden Stempels“
7.2.3 Einfluss der Klebstoffviskosität
7.2.4 Diskussion der Optimierungsergebnisse und Auswahl optimierter Prozessparameter
7.3 Clinchkleben mittels geteilter Matrize
7.3.1 Einfluss der Klebstoffviskosität
7.3.2 Variation der Klebstoffauftragsform durch Applikation einer unterbrochenen Klebstoffraupe
7.3.3 Diskussion der Optimierungsergebnisse und Auswahl optimierter Prozessparameter
8 Ermittlung der Einflüsse von Klebschichten auf die Verbindungseigenschaften bei optimierten Fertigungsparametern
8.1 Halbhohlstanznietkleben
8.1.1 Einsatz der Kombination aus optimierter Fügestempelgeschwindigkeit, Niederhalterkraft und Niethärte
8.1.1.1 Stufensetzversuch
8.1.1.2 Trag- und Versagensverhalten
8.1.2 Einsatz eines niedrigviskosen Klebstoffes
8.1.2.1 Stufensetzversuch
8.1.2.2 Trag- und Versagensverhalten
8.1.3 Einsatz der Klebstoffauftragsform durch Applikation einer unterbrochenen Klebstoffraupe
8.2 Clinchkleben mittels ungeteilter Matrize
8.2.1 Einsatz eines niedrigviskosen Klebstoffes
8.2.1.1 Stufensetzversuch
8.2.1.2 Trag- und Versagensverhalten
8.3 Clinchkleben mittels geteilter Matrize
8.3.1 Einsatz eines niedrigviskosen Klebstoffes
8.3.1.1 Stufensetzversuch
8.3.1.2 Trag- und Versagensverhalten
8.3.2 Einsatz der Klebstoffauftragsform durch Applikation einer unterbrochenen Klebstoffraupe
9 Einfluss der Auslagerungsbedingungen auf das Festigkeitsverhalten von Mischverbindungen
der Werkstoffkombinationen Aluminiumsandwich in Aluminium
10 Ableitung von Hinweisen zur Auswahl geeigneter Fertigungsparameter beim Halbhohlstanznietkleben und Clinchkleben dünnwandiger Blechwerkstoffe
10.1 Konzeptionsphase
10.2 Fertigungsphase
10.3 Qualitätssicherung
11 Zusammenfassung
12 Literatur