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EFB-Forschungsbericht Nr. 477

Schädigungsarmes Fügen von Faser-Kunststoff-Verbunden mit metallischen Halbzeugen mittels neuartigem Stanznietverfahren

efb477

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Florian Augenthaler, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn

126 Seiten (sw, 95 teils farbige Abb., 17 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-528-2

Preis (Digital) EUR 65,00

Preis (Print) EUR 74,00

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde auf den Erkenntnissen aus Vorarbeiten zum Voll- und Halbhohlstanznieten von FKV-Metall-Verbindungen eine neue Variante des Stanznietens entwickelt, um den speziellen Anforderungen beim Fügen von Faser-Kunststoff-Verbunden mit Metallen gerecht zu werden. Mit dem neuartigen Stanznietkonzept wurde erreicht, die in den Verbundwerkstoff induzierten Schädigungen beim Stanzvorgang zu minimieren und die Einsatzgrenzen des Stanznietens von FKV-Metall-Verbindungen deutlich anzuheben, wodurch höhere Leichtbaugrade ermöglicht werden.

Mit zwei entwickelten Werkzeugkonzepten konnte der FKV-Butzen dauerhaft im Inneren des Nietes gesichert werden, wodurch eine aufwendige FKV-Butzenabfuhr entfällt. Der ebenfalls anfallende Metallbutzen wurde dazu partiell in den Niet mit eingepresst und verbleibt an der Verbindung. Die Sicherheit gegen Lösen des FKV-Butzens wurde in einem Vibrationstest nachgewiesen. Ferner wurden die Einsatzgrenzen des Fügeverfahrens hinsichtlich der Werkstofffestigkeiten bestimmt, wobei insbesondere moderne Leichtbauwerkstoffe wie hochfeste Aluminiumwerkstoffe und höchstfeste Stahlsorten im Vordergrund standen.

Parallel wurde mithilfe von Simulationswerkzeugen und der Verwendung alternativer Nietelementwerkstoffe das Einsatzgebiet der Stanzniete erweitert. Die Schädigungen wurden durch eine systematische Optimierung der Nietelementgeometrie und durch den Einsatz eines verlierenden Niederhalters reduziert. Zusätzlich wurde ein Konzept erarbeitet, wie die Nietelemente in einem kosteneffizienten, umformenden Herstellungsverfahren produziert werden können.

Mithilfe einer Modifizierung der Fügewerkzeuge konnten hochbeanspruchbare, hybridgefügte Verbindungen realisiert werden, die in Kombination mit elementar gefügten Verbindungen ausführlich mechanisch charakterisiert wurden. Letztlich wurden die Verbindungen und Nietelemente unter Korrosionsbedingungen bewertet.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Schädigungsarmes Fügen von Faser-Kunststoff-Verbunden mit metallischen Halbzeugen mittels neuartigem Stanznietverfahren" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18800N 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. 477 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

As part of the research project, a new variant of a self pierce rivet was developed based on the findings from preliminary work on solid and semi-tubular self pierce riveting of cfrp-metal-joints in order to meet the special requirements for joining fibre-plastic composites with metals. The innovative self pierce rivet concept has been used to minimize the damage to the composite during the punching process and to significantly increase the application limits of self pierce riveting of cfrp-metal-joints, which enable higher lightweight grades. With two developed tool concepts, the cfrp-slug was permanently secured inside the rivet, which eliminates the need for a costly cfrp-slug removal.

The additionally created metal slugs were partially pressed into the rivet and remain on the joint. The safety against loosening of the cfrp-slug was proved in vibration tests. Furthermore, the application limits of the joining procedure were determined with regard to the material strengths, whereby in particular modern lightweight materials such as aluminum materials and high-strength steel grades were in the foreground. At the same time, simulation tools and the use of alternative rivet element materials have expanded the application limits of the self pierce rivet.

The damage was reduced by a systematic optimization of the rivet element geometry and the use of a losing blank holder. In addition, a concept was developed for a cost-efficient forming process of the rivet elements. By modifying the joining tools, it was possible to realize high quality hybrid joints that were extensively mechanically characterized in combination with the elementary joints. Finally, the joints and rivets were evaluated under corrosion conditions.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Herausforderungen beim Stanznieten von Faser-Kunststoff-Verbunden
2.2 Versagensformen bei Bolzenverbindungen
2.3 Mechanische Fügetechnik
2.3.1 Vollstanznieten
2.3.2 Reservoirstanznieten
2.3.3 Halbhohlstanznieten
3 Versuchsrandbedingungen
3.1 Versuchswerkstoffe
3.2 Versuchsanlagen
3.2.1 Zwick 100
3.2.2 Zwick 1486
3.2.3 Böllhoff Gen²
3.2.4 TOX Vollstanznietanlage
3.2.5 Korrosionskammer SKB 1600 A-TR
3.2.6 Fräsportal
3.2.7 Ultraschallprüfgerät Olympus OmniScan MX2
3.3 Reservoirstanznietelemente
3.4 Probengeometrien
4 Butzensicherung
5 Nietentwicklung
6 Bemusterung
7 Schädigungsbewertung
8 Kennwertermittlung
9 Korrosion
10 Ergebnisse
10.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für kleine und mittelständische Unternehmen
11 Verzeichnisse
11.1 Quellen
11.2 Normen und Richtlinien
11.3 Patente
Anhang (relevante Nietgeometrien)