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EFB-Forschungsbericht Nr. 456

Mechanische Strukturierung für hochfeste Metall-Kunststoff-Hybride – HyTensile

efb456

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Michael Brand, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der Technischen Universität Braunschweig - Prof. Dr.-Ing. Dieter Meiners, Dipl.-Ing. Saskia Müller, Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik der Technischen Universität Clausthal

122 Seiten (sw, 83 teils farbige Abb., 30 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-506-0

Preis (Digital) EUR 57,35

Preis (Print) EUR 72,62

Zusammenfassung

Im Projekt „Mechanische Strukturierung für hochfeste Metall-Kunststoff-Hybride – HyTensile" ist erfolgreich ein neues Verfahren untersucht worden, mit dem eine formschlüssige Verbindung zwischen Metallen und faserverstärkten Kunststoffen (FVK) erzielt werden kann. Die Verbindung beruht auf mechanischen Verklammerungsstrukturen, die durch einen einfachen Stoß-/ Umformprozess auf der Oberfläche der metallischen Komponente erzeugt werden. Diese hinterschnittigen Strukturen ermöglichen eine direkte Kraftübertragung zwischen Metall und (faserverstärktem) Kunststoff. Als Materialkombinationen wurden Aluminium- (EN AW2017, EN AW 7075) und Stahllegierungen (DC01, HTC600XD) mit FVK-Materialen (PA6GF30, GFK/CFK+Epoxidharz) betrachtet.

Für die Entwicklung des Strukturierungswerkzeugs zur Einbringung der Verklammerungs-strukturen sind zu Beginn des Projektes numerische Simulationsmodelle aufgestellt worden, mit denen die grundsätzliche Werkzeuggeometrie ermittelt wurde. Parallel dazu wurden für die Validierung der Modelle Versuchsstände für die Strukturerzeug aufgebaut.

Nach der Analyse entsprechender Parameterstudien stellte sich ein rotationssymmetrisches Werkzeug, aus einem verschleißfesten Kaltarbeitsstahl (1.2210, 115CrV3) mit einer Härte von 62 HRC und einem Durchmesser von 6 mm sowie einer umlaufenden Werkzeugschneide von 45°, die durch einen innenliegenden Kegel gebildet wird, als optimal heraus. Die Ermittlung der Prozessparameter für die Strukturierung wurde anhand von experimentell aufgestellten Strukturierungskatalogen sowie Scher- und Kopfzugversuchen in Anlehnung an DIN 1465, DIN EN ISO 12996 und DIN ISO 16237 vorgenommen.

Die benötigten Hybridproben wurden aus EN AW 2017 und PA6GF30 im Spritzgussverfahren hergestellt. Die höchste Bruchkraft, die von einer einzigen Verklammerungsstruktur erzielt wurde, liegt in diesem Zusammenhang bei 632 N. Diese Struktur wurde unter einem Strukturierungswinkel von 20° und einer Werkzeugeintauchtiefe von 2,9 mm erzeugt. Die Ergebnisse weisen jedoch eine starke Richtungsabhängigkeit auf. Weiter konnte gezeigt werden, dass bis zu einer Anzahl von sieben Strukturen ein linearer Zusammenhang zwischen Strukturdichte und Bruchkraft besteht.

Durch die Strukturen konnte eine Kraft von 5.306 N bei einer Überlappungsfläche von 900 mm² und einer Dichteverteilung von neun Strukturen in Matrixanordnung experimentell übertragen werden. Zusätzliche numerische Analysen sowie Untersuchungen mittels Grauwertkorrelationsanalyse haben gezeigt, dass die Spannungsverteilung ungleichmäßig über die jeweiligen Strukturfelder erfolgt.

In diesem Zusammenhang konnten zwar die höchsten Kräfte mit einer Kreisanordnung erzielt werden, jedoch führen Spannungsspitzen bei dieser Anordnungsvariante bereits bei geringen Lasten bzw. ab einem Lastaufnahmeweg von 0,32 mm zu ersten irrereversiblen Rissen im Kunststoff. Eine U-Anordnung hingegen weist ein ähnliches Versagensbild erst ab 0,41 mm auf, erzielt jedoch im Vergleich eine deutlich geringere Bruchfestigkeit.

Untersuchungen zur Strukturdichte und Anordnung zeigen weiterhin, dass ab neun Strukturen, bei der gewählten Strukturausprägung und dem definierten Probenaufbau, der limitierende Faktor vom Restquerschnitt im FVK abhängig ist. Die Erkenntnisse aus den Hybridproben, die im Spritzgussverfahren hergestellt wurden, sind in AP2 und AP6 auf Vakuuminfusions- und Wickelverfahren übertragen worden. Es wurden unter anderem Rohrgeometrien auf Torsion beansprucht und deren Bruchverhalten analysiert.

Des Weiteren wurden erste Konzepte erarbeitet, mit denen flächige, einfachgekrümmte Halbzeuge sowie Hut-Profile lokal in einem Pressenhub flächig strukturiert werden können. Hierzu wurden bereits erste Vorversuche durchgeführt, bei denen die Geometrie der Halbzeuge mit dem zur Verfügung stehenden Versuchstand strukturiert wurde.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Es gilt nun die gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich dynamischer Belastung zu erweitern, die Werkzeugkonzepte zu detaillieren und ein entsprechendes seriennahes Versuchswerkzeug für einen möglichen industriellen Einsatz aufzubauen.

Das IGF-Vorhaben „Mechanische Strukturierung für hochfeste Metall-Kunststoff-Hybride – HyTensile" wurde unter der Fördernummer AiF 18112N 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. 456 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In the research project "Mechanical structuring for high-strength metal-plastic-hybrids - HyTensile" with the AiF code 18112N / 1, a new method to join metal and fiber-reinforced plastics (FVK) was successfully investigated. The new method is based by novel interlocking structures which generate a mechanical form fit between the different material worlds. These special undercut structures are generated by a simple impact / forming process on the surface of the metal component and allow a direct force transmission between the metal and the (fiber-reinforced) plastic part. In the project, different aluminum (ENAW2017, ENAW 7075) and steel materials (DC01, HTC 600XD), in combination with FVK (PA6GF30, GFK / CFK + epoxy resin), were considered as hybrid specimen.

At the beginning of the project, numerical simulation models were built up for the develop-ment of the geometry of the structuring tool. Different test stands were constructed for the validation of the numerical models and for the experimental investigations about the structuration process concurrently. After the analysis of corresponding parameter studies, a rotationally symmetrical tool, consisting of a wear-resistant cold working steel (1.2210, 115CrV3) with a hardness of 62 HRC and a diameter of 6 mm, as well as a rotating tool cutting edge of 45° in form of a interior cone, achieved the best results.

The parameters for the structuring process were determined by experimentally generated structuring catalogs as well as lap by shear and head tensile tests in accordance to DIN 1465, DIN EN ISO 12996 and DIN ISO 16237. The hybrid specimens were produced from EN AW 2017 and PA6GF30 by injection molding. By the usage of a single interlocking structure, the highest breaking force which could be achieved was 632 N. This structure was generated under a structuring angle of 20° and a tool penetration depth of 2.9 mm. However, the results are depending on the respective load direction. Further, it could be shown that there is a linear relationship between the number of structure and the breaking force up to a number of seven structures.

A maximum value of 5306 N with an overlapping area of 900 mm² and a density distribution of nine structures in a matrix pattern was determined experimentally. Additional numerical analyzes as well as investigations about gray-value correlation analysis have shown that the force distribution is unevenly distributed over the respective structural fields. However, the highest breaking forces could be achieved with a circular pattern in the tensile tests. The stress peaks in this pattern result in a premature damage of the plastic in the area of the structures.

In the numerical simulation, the damage begins at a load path of 0.32 mm. However, the U-pattern shows the similar failure type first at a path of 0.41 mm, but in comparison to the circular pattern, this pattern achieves a significantly lower breaking force. Furthermore, studies on the structural density and pattern show that among nine structures the limiting factor depends on the residual cross-section in the FVK. The results from the hybrids samples, which were produced by injection molding, have partly been transferred in AP2 and AP6 to a vacuum infusion and a winding proccesses. Among others, tube geometries were tested by torsional stress tests and the failure behavior was analyzed too.

Furthermore, first concepts for an economical structuration process were developed. Here, a distinction was made between a flat specimen, a single-curved specimen and a hat profile that could be structured locally in one press step. For this purpose, preliminary tests have already been carried out on the base of the experimental test stand which was build up in this project.
The aim of the research project was achieved. Now it is necessary to extend the gained knowledge to a dynamic load test, to detail the tool concepts, and to build up a corresponding serial test tool.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Anlass für das Forschungsvorhaben
2 Stand der Technik
2.1 Herstellung hybrider Bauteile
2.2 Koppelmechanismen im Bereich der Materialgrenzflächen
2.2.1 Direkte Faseranbindungstechnologien mittels Gusstechnik
2.2.2 3D-Metallinserts
2.2.3 Koppelungsinserts
2.2.4 Verbindung mittels CMT-Metallpins
2.2.5 Verbindung mittels Pin-Technologie – Setzprozess
2.2.6 Verbindung mittels Pin-Technologie – Fließformen
2.2.7 Metaklett - Metallische Klettverbindung
2.2.8 Oberflächenstrukturierung mittels energetischer Strahlung
2.2.9 GRIP Metal™ - Oberflächenstrukturierung
2.2.10 Oberflächenvorbehandlung in der Klebtechnik
2.2.11 Weitere Strukturanbindungsverfahren
2.3 Fazit zum Stand der Technik
3 Forschungsziel und Lösungsweg
3.1 Forschungsziel
3.1.1 Forschungsergebnisse
3.1.2 Innovativer Beitrag der Forschungsergebnisse
3.1.3 Methodischer Ansatz zur Erreichung des Forschungsziels
4 Ergebnisse der Arbeitspakete
4.1 Arbeitspaket 1 | Werkzeugkonzeptionierung und Entwicklung
4.1.1 Konstruktion der Werkzeugeinheit / Strukturierungsversuchsstände
4.1.2 Entwicklung der Werkzeuggeometrie
4.1.3 Ermittlung eines geeigneten Schneidstoffes
4.1.4 Fazit aus AP1
4.2 Arbeitspaket 2 | Material-, Prüfdefinition und Ermittlung der Referenzdaten
4.2.1 Verwendete Fügeverfahren
4.2.2 Ergebnisse
4.2.3 Fazit aus Arbeitspaket 2
4.3 Arbeitspaket 3 | Untersuchung ebener, unidirektional strukturierter Probenkörper
4.3.1 Arbeitspaket 3.1 – Herstellung strukturierter Metallproben
4.3.2 Arbeitspaket 3.2 – Herstellung und Analyse hybrider Strukturen
4.3.3 Fazit aus AP3
4.4 Arbeitspaket 4 | FEM-Analyse des Fließverhaltens
4.4.1 Fazit aus AP 4
4.5 Arbeitspaket 5 | Entwicklung einer lastrichtungsoptimierten Strukturierung
4.5.1 Arbeitspaket 5.1 Einbringen einer lastrichtungsabhängigen Strukturierung
4.5.2 Arbeitspaket 5.2 Untersuchung der lastpfadoptimierten Hybridstrukturen
4.5.3 Fazit aus AP5
4.6 Arbeitspaket 6 | Ergebnistransfer auf gekrümmte Oberflächen
4.6.1 Fazit aus AP6
4.7 Arbeitspaket 7 | Ableitung von Werkzeugkonzepten für größere Stückzahlen
4.7.1 Fazit aus AP7
5 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der erzielten Forschungsergebnisse
5.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen
5.2 Innovativer Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeiten
5.3 Kritische Würdigung der Forschungsergebnisse
6 Literatur
7 Veröffentlichungen