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EFB-Forschungsbericht Nr. 470

Erweiterung der Einsatzgrenzen der Patchworktechnik

efb470

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M. Sc. André Spiekermeier, Dr.-Ing. Sven Hübner, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover

92 Seiten (sw, 62 teils farbige Abb., 4 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-521-3

Preis (Digital) EUR 64,00

Preis (Print) EUR 72,00

Zusammenfassung

Die Patchworktechnik ist ein Fertigungsleichtbauverfahren im modernen Automobilkarosseriebau zur Gewichtsreduzierung von Karosseriekomponenten. Im Rahmen des Forschungsprojekts wird die Prozesskette zur Herstellung von Patchworkbauteilen untersucht und das Potenzial der Verfahrenskombination aus Schweißen und Klebstoff experimentell ermittelt. Herkömmliche Patchworkbauteile zur partiellen Verstärkung weisen in dem besonders stark beanspruchten Bereich eine lokale Blechdopplung auf.

Diese Doppelblechlage wird im Zuge der Halbzeugherstellung im Allgemeinen mittels des Widerstandspunktschweißverfahrens hergestellt. Der Einsatz von speziellen Strukturklebstoffen kann die Patchworktechnik hinsichtlich der Bauteilfestigkeit, der Korrosionsbeständigkeit sowie der Verbundfestigkeit positiv beeinflussen. Das Umformverhalten wird aufgrund des Klebstoffs nicht negativ beeinflusst, da der Klebstoff zum Zeitpunkt des Tiefziehens noch nicht strukturell ausgehärtet ist. Die Klebstoffaushärtung würde im Automobilkarosseriebau während des Lackeinbrennens im Zuge der kathodischen Tauchlackierung (KTL) realisiert werden.

Das übergeordnete Ziel ist die Verbesserung der Eigenschaften von Patchworkbauteilen durch die Kombination von Widerstandspunktschweißen und Kleben. Zunächst wurden in enger Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss (pbA) die Anforderungen an den Prozess sowie die Geometrie des Musterbauteils und die einzusetzenden Klebstoffe und Blechwerkstoffe festgelegt. Zur Halbzeugherstellung war es erforderlich, ein Widerstandsschweißverfahren zum Durchschweißen der elektrisch isolierenden Klebstoffschicht zu entwickeln.

Dazu wurde das konventionelle Buckelschweißverfahren entsprechend modifiziert und in umfangreichen Schweißversuchen geeignete Schweißparameter ermittelt. Zur Herstellung der Musterbauteile, welche eine Verstärkung an einer Fahrzeugtür im Scharnierbereich vereinfacht darstellt, wurde mittels einer FEM-Blechumformsimulation die Herstellbarkeit des Bauteils numerisch abgesichert. Ein entsprechendes Tiefziehwerkzeug wurde konstruiert, gefertigt und in Betrieb genommen, sodass die Patchworkbauteile mit den verschiedenen Blechwerk- und Klebstoffen hergestellt werden konnten.

Anschließend erfolgte eine zerstörende Bauteilprüfung mittels eines quasistatischen Beultests, um das Potenzial von geklebten und geschweißten Patchworkbauteilen zu bewerten. Es konnte eine signifikante Steigerung der Verbundfestigkeit sowie der Korrosionsbeständigkeit durch den Einsatz von speziellen Strukturklebstoffen nachgewiesen werden. Zudem wurde eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung durchgeführt, um den Vorteil der neuen Patchworktechnik im Vergleich zu anderen Verfahren für ein zu definierendes Bauteilspektrum darzustellen.
Das Forschungsziel wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Erweiterung der Einsatzgrenzen der Patchworktechnik" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18408N 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. 470 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The patchwork technology is a manufacturing method used to reduce the weight of body components in modern car body. In this project, the process chain for producing patchwork components is examined and the potential of the combined method of welding and adhesive is determined experimentally. Conventional patchwork components for partial reinforcement at high stressed areas have a local double layer of metal sheets.

This double layer is produced in general during the manufacture of semifinished products by a resistance spot welding process. The use of special structural adhesives may affect positively the patchwork technology with respect to the component strength, the corrosion resistance and the composite strength. The drawability is not negatively affected due to the adhesive, since the adhesive is not yet cured structurally at the time of deep drawing. The adhesive curing occurs in the automobile body during the paint baking within the cathodic dip coating process.

The overall objective is to improve the properties of patchwork components by combining resistance spot welding and the usage of adhesives. First, the requirements for the process and the geometry of the sample component were set and the used adhesives as well as the sheet materials were chosen in close coordination with the project committee. For the manufacturing of semi-finished products, it was necessary to develop a resistance welding method in order to weld through the electrically insulating adhesive layer.

For this purpose, the conventional projection welding process was modified accordingly and suitable welding parameters were determined in extensive welding tests. In order to produce the patchwork components, which represent reinforcement on a vehicle door in the hinge area in a simplified manner, the manufacturability of the component was numerically investigated by means of an FEM sheet metal forming simulation. A corresponding deep drawing tool was designed, manufactured and put into operation, so that the patchwork components could be produced with the different sheet metal and adhesives combinations.

Subsequently, a destructive test method was carried out using a quasistatic compression test in order to evaluate the potential of adhered and welded patchwork components.

A significant increase in the bond strength as well as the corrosion resistance was demonstrated by the use of special structural adhesives. In addition, an economic analysis was performed to show the advantage of the new technology in comparison to other light weight strategies.
The research objective has been achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen
Formelzeichen
Abkürzungen
Zusammenfassung
1 Anlass für das Forschungsvorhaben
2 Stand der Technik
2.1 Fertigungsleichtbauverfahren
2.1.1 Patchworktechnik
2.1.2 Tailored Welded Blanks
2.1.3 Bonded Blanks
2.2 Widerstandspunktschweißverfahren
2.2.1 Punktschweißen
2.2.2 Buckelschweißen
2.2.3 Möglichkeiten zum Durchschweißen einer Klebschicht
2.3 Klebstofftechnik im Fahrzeugbau
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Bearbeitung des Forschungsprojektes
4.1 Eingesetzte Blechwerkstoffe und Klebstoffe
4.1.1 Eingesetzte Blechwerkstoffe
4.1.2 Eingesetzte Klebstoffe
4.2 Musterbauteil
4.3 FE-Simulation zur Bauteilauslegung
4.4 Auslegung/Konstruktion des Umformwerkzeugs
4.5 Schweißversuche
4.5.1 Buckelschweißversuche an Blechen mit einer dazwischen liegenden Klebstoffschicht
4.5.2 Modifiziertes Punktschweißen mit Buckeln zur Kontaktierung
4.6 Bauteilcharakterisierung
4.6.1 Analyse der Blechdickenverteilung
4.6.2 Variation der Schweißpunktanzahl und -position
4.6.3 3-Punkt-Biegeversuche von verstärkten Bauteilbereichen
4.7 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
5 Ergebnisse
6 Projektauswertung
6.1 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
7 Literatur