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EFB-Forschungsbericht Nr. 476

Verfahrensentwicklung zur Herstellung von hybriden FVK/Stahl Strukturen mittels eines neuartigen Blechverbindungselementes

efb476

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder, Dipl.-Phys. Joachim Sterz, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Markus Kühn, Dipl.-Ing. Georg Ballschmiter, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, Technische Universität Braunschweig - Prof. Dr.-Ing. Sven Jüttner, M. Sc. Oleksandr Obruch, Institut für Werkstoff- und Fügetechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

126 Seiten (sw, 115 teils farbige Abb., 14 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-527-5

Preis (Digital) EUR 54,85

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Im Projekt „Verfahrensentwicklung zur Herstellung von hybriden FVK/Stahl Strukturen mittels eines neuartigen Blechverbindungselementes – „HyBVE" " wurden Verbindungselemente entwickelt und untersucht.

Als Grundkonzept der Verbindungselemente wurde eine Kopfplatte mit drei oder mehr Verbindungsfüßen festgelegt. Die Verbindungsfüße durchdringen zunächst den lokal aufgeschmolzenen Faserverbundwerkstoff.

Anschließend werden deren Spitzen mittels konventioneller Widerstandspunktschweißtechnik an ein Stahlblech angeschweißt. Dabei wird der Strom über die Kopfplatte in die Verbindungsfüße eingeleitet. Die Verbindungselemente lassen sich kostengünstig im Stanzumformprozess herstellen.

Die drei erforderlichen Prozessschritte Elementherstellung, Durchdringung und Schweißung führen zu Zielkonflikten hinsichtlich geometrischer Gestaltung und Werkstoffauswahl für die Verbindungselemente.

Im Projekt ist es gelungen, zunächst die Teilprozesse zu entwickeln und anschließend so zu optimieren, dass eine Verbindung mit ausreichender Festigkeit erzeugt wird. Dazu wurde ebenfalls die Elementgeometrie schrittweise angepasst.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Verfahrensentwicklung zur Herstellung von hybriden FVK/Stahl Strukturen mittels eines neuartigen Blechverbindungselementes" der Forschungsvereinigungen EFB e.V. in Kooperation mit DVS wurde unter der Fördernummer AiF 18409BG 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. 476 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The research project „Process Development for Manufacturing of Hybrid FRP-Steel Structures by Means of a Novel Sheet Joining Element" addressed the investigation of applying the widespread technology of resistor element welding to joining two dissimilar materials (steel and fiber-reinforced thermoplastic).

A base plate equipped with three or more joining pins worked as basic concept. The pins are meant to penetrate the locally molten thermoplastic thus working through the FRP material while leaving as majority of fibres intact. Sticking out of the back side of the FRP material, the pins were then welded to a steel component upon contact through conventional spot welding. Thereby, electric energy is induced through the head plate and the pins. The proposed joining elements can be manufactured in an industrial die-cutting and forming operation.

However, the three required process steps (element manufacturing, FRP penetration and welding) constitute contrary target goals in terms of geometrical pin design and material selection. During the research project, each individual process was developed and eventually optimized in such a way that ensured a hybrid joint with sufficient strength. Therefore, element geometries were adapted continuously.
In conclusion, the goals of the research project were so achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Zusammenfassung
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Anlass für das Forschungsvorhaben
2 Stand der Technik
2.1 Herstellung hybrider Bauteile
2.2 Pin-Strukturen auf metallischen Halbzeugen zur formschlüssigen Lasteinleitung in Faserverbundwerkstoffe
2.2.1 RHEA-Verstärkung
2.2.2 IGEL-Technologie
2.2.3 Additives Laser Sintern
2.2.4 Laserstrukturierung
2.2.5 Pin-Technologie durch Setzprozesse und Fließformen
2.2.6 Strukturierung durch mechanische Verfahren
2.3 Lochformung in Faserverbundwerkstoffen
2.3.1 Thermoclinchen
2.3.2 Thermomechanisches Ausformfügen
2.3.3 Z-Pinned – Hybride Strukturen
2.4 Mechanische Fügeverfahren zum Fügen von FVK
2.5 Verbindungselemente
2.5.1 Koppelungsinserts
2.5.2 Stanznieten
2.5.3 Flow Drill Schrauben
2.5.4 Nieten – Blindnieten
2.5.5 Widerstandelementschweißen
2.5.6 Thermisches Fügeverfahren Widerstandselementschweißen
2.6 Sonstige Hybridisierungstechnologien
2.6.1 Direkte Faseranbindungstechnologien mittels Gießtechnik
2.7 Fazit zum Stand der Technik
3 Forschungsziel und Lösungsweg
3.1 Forschungsziel
3.1.1 Anforderungsprofil an Verbindungselement und Fügeprozess
3.1.2 Forschungsergebnisse
3.1.3 Innovativer Beitrag der Forschungsergebnisse
3.1.4 Methodischer Ansatz zur Erreichung des Forschungsziels
4 Verwendete Werkstoffe und Probenvorbereitung
4.1 Verwendete Werkstoffe
4.1.1 22MnB5+AS150
4.1.2 HX340LAD+Z100
4.1.3 BETAMATE™ 1480
4.2 Probengeometire und Probenvorbereitung
4.2.1 Probenvorbereitung – Metallproben
4.2.2 Probenvorbereitung – Kunststoffproben
5 Ergebnisse der Arbeitspakete
5.1 Arbeitspaket 1 | Schädigungsarme Einbringung eines Verbindungselementes in einen Faserwerkstoff (IWF TU-BS)
5.1.1 AP 1.1: Simulative Untersuchungen zum Durchdringungsverhalten und der resultierenden Faserschädigung
5.1.2 AP 1.2: Aufbau eines Versuchsstandes für die experimentellen Untersuchungen zum Durchdringungsverhalten und der resultierenden Faserschädigung
5.1.3 AP 1.3: Experimentelle Untersuchungen zum Durchdringungsversuch
5.1.4 Fazit aus AP1
5.2 Arbeitspaket 2 | Schweißtechnische Anbindung von FVK-Werkstoffen an eine metallische Struktur (IWF OvGU)
5.2.1 Anwendungsspezifische Entwicklung des Verbindungselements
5.2.2 Elementherstellung
5.2.3 Qualitätskriterien zur Ermittlung eines Prozessfensters
5.2.4 Schweißtechnische Herstellung eines Hybridverbundes durch Verwendung des neuartigen Verbindungselements
5.3 Arbeitspaket 3 | Optimierung und Bewertung der Verbindungseigenschaften (IWF TU-BS & IWF OvGU)
5.3.1 AP 3.1 Gestaltoptimierung zur lastgerechten Kraftverteilung sowie zur Verbesserung des Schweißprozesses
5.3.2 AP 3.2 Charakterisierung der Verbindungstechnologie hinsichtlich unterschiedlicher Werkstoffkombinationen
5.3.3 AP 3.3 - Vergleich zum Referenzprozess Blindnieten
5.4 Arbeitspaket 4 | Entwicklung und Bewertung von Konzepten für den automatisierten Einsatz
5.4.1 AP 4.1 Erstellung und Bewertung von Technologien zur automatisierten Elementapplikation und schweißtechnische Anbindung
5.4.2 AP 4.2 Beurteilung der Wirtschaftlichkeit des neuen Verfahrens
6 Anwendung an einem bauteilähnlichen Prüfkörper
7 Literatur