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EFB-Forschungsbericht Nr. 482

Erhöhung der Fügepunktsteifigkeit durch Z-Pins beim mechanischen Fügen von FVK-Metall-Hybridstrukturen

efb482

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Dr.-Ing. Normen Fuchs, Dr.-Ing. Nikolai Glück, M. Sc. Robert Staschko, M. Sc. Benjamin Schornstein, Fraunhofer-Einrichtung Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock

114 Seiten (sw, 86 teils farbige Abb., 11 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-534-3

Preis (Digital) EUR 57,35

Preis (Print) EUR 71,64

Zusammenfassung

Schraubenverbindungen mit Faser-Kunststoff-Verbunden werden nach aktuellem Stand der Technik als Scher-Lochleibungsverbindung ausgelegt, da aufgrund der Retardations- und Relaxationsmechanismen der Harzmatrix eine Unsicherheit bezüglich der Aufrechterhaltung der Schraubenvorspannkraft über die Bauteillebensdauer besteht. Um die Vorteile einer Schraubenverbindung als gleitfest vorgespannte Verbindung zu ermöglichen und damit eine deutliche Steigerung des Tragfähigkeitspotenzials bei zyklischer Beanspruchung zu erschließen, ist die Charakterisierung des Montage- und Betriebszustands unerlässlich. Ermöglicht werden soll dies durch die Einführung einer Verstärkung des FKV in Materialdickenrichtung durch sogenannte Z-Pins.

Zur Qualifizierung dieses Ansatzes wurde die Einbringung der Z-Pins in das Laminat bei gleichzeitig minimalen Eigenschaftsänderungen der Laminatstruktur (Oberflächengüte, statische Festigkeit) untersucht.

Für den Anwender ist hierdurch ein manuelles Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung Z-Pin verstärkter Laminate verfügbar. Darauf aufbauend wurde der Einfluss von Schädigungen in Folge der Vorlochoperation und der Auswirkungen auf das Tragverhalten untersucht. Die betrachteten Vorlochoperationen (Bohren, Wasserstrahlschneiden) zeigen demnach keinen signifikanten Einfluss auf die statische Tragfähigkeit der FKV-Bauteile.

Bei Ermüdungsbelastung weist das Wasserstrahlen deutliche Vorteile auf. Die durchgeführten Charakterisierungsversuche des FKV-Grundwerkstoffs an Laminaten mit und ohne Z-Pins zeigen jedoch einen signifikanten Einfluss auf den Montagezustand von Schraubenverbindungen, insbesondere bei kleinen Klemmlängen. Grundsätzlich ist im Last-Bereich typischer Schraubenvorspannkräfte ein nichtlineares Werkstoffverhalten zu ermitteln. Eine gewünschte Reduktion der Vorspannkraftverluste durch Einsatz Z-Pin-verstärkter Laminate konnte für die untersuchten duroplastischen Matrixsysteme nicht bestätigt werden. Bei Ermüdungsbelastung bewirken die eingebrachten Z-Pins bei ungelochten Proben zudem eine massive Reduktion der erzielbaren Festigkeit um bis zu 50 % durch lokale Spannungsüberhöhungen. Bei gelochten Proben ist kein signifikanter Unterschied hinsichtlich der Zeitfestigkeit festzustellen.

Hingegen konnten Stellgrößen bzgl. der Oberflächenvorbereitung sowie bzgl. der Extrapolation von Vorspannkraftverlusten über die Lebensdauer für FKV-Halbzeuge im Allgemeinen identifiziert werden. Diese sind bei der konstruktiven Auslegung für den Anwender von großem Nutzen.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Erhöhung der Fügepunktsteifigkeit durch Z-Pins beim mechanischen Fügen von FVK-Metall-Hybridstrukturen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18811BR 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. 482 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The latest state of technology interprets bolted connections with fiber reinforced composites as bearing-type shear joints. But due to the retardation and relaxation mechanism of the resin matrix there is an uncertainty to maintain the pre-load to ensure that the component lifespan is guaranteed. To utilize the benefits of the bolt connection as an anti-slip pre-stressed connection to achieve significant capacity potential under cyclical stress demands the characterization of the installation and operating status. To accomplish that, the fiber reinforced composites are going to be enhanced in material thickness direction with so called Z-Pins. To qualify this approach the insertion of the Z-Pins into the laminate with simultaneous minimal property changes of the laminate structure (surface quality, static strength) is going to be investigated.

Therefore a manual method to produce reproducible enhanced Z-Pins laminates is available for the operator. Based on that, the influence of damage as the result of the hole operation and its consequences on the load bearing behavior was evaluated. The kind of hole operation (drilling, water jet cutting) shows no significant influence on the static load bearing capacity of the fiber reinforced composites. Under fatigue loading, water jet cutting indicates clear advantages.

The implemented characteristic attempts on the fiber reinforced composites with and without Z-Pins display a significant influence on the installation condition of bolt connections, especially for small grip ranges. Basically there is a no linear material behavior in the load bearing span of typical bolt preload forces. The working hypothesis to reduce the loss of pretension force by using Z-Pins enhanced laminates could not be confirmed for thermosetting matrix systems. Under fatigue loading the Z-Pins cause a massive reduction of the obtainable stability from up to 50%, as a result of excessive local tensions on unpierced samples. There is no significant difference on fatigue strength for pierced samples.

However, the correcting variables regarding the surface preparation as well as the extrapolation of the loss of pretension force was generally identified for the lifespan of semi-finished fiber reinforced composites. In terms of dimensioning of load bearing parts this knowledge has a great benefit for the user.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Lösungsansatz
1.3 Ziel des Forschungsvorhabens
2 Stand der Technik
2.1 Tragverhalten gleitfest vorgespannter Verbindungen
2.1.1 Tragverhalten bei statischer Beanspruchung
2.1.2 Tragverhalten bei Ermüdungsbeanspruchung
2.2 Mechanisches Verbinden von Faser-Kunststoff-Verbunden
2.3 Einbringungstechnologien für Z-Pins und deren Einsatz in mechanischen Verbindungen
3 Technologie zum Einbringen von Z-Pins in der teilmechanisierten Kleinserienfertigung
3.1 Verbindungstechnische Randbedingungen beim Einsatz der Z-Pin Technologie
3.2 Konzeptansatz
3.3 Betrachtungsgegenstand
3.4 Fertigungsprozess
3.4.1 Fertigung der Z-Pins
3.4.2 Trägerplattenherstellung
3.4.3 Einbringen der Trägerplatten in das Laminat
3.4.4 Laminatherstellung
3.5 Untersuchung von Verfahrensparametern
3.6 Randbedingungen der Probenherstellung
4 Mechanisch-technologische Charakterisierung der Werkstoff- und Verbindungseigenschaften
4.1 Konzeptansatz
4.2 Betrachtungsgegenstand
4.2.1 Verbindungsstelle
4.2.2 FKV-Werkstoff
4.3 Eigenschaften der Grundwerkstoffe und Einfluss der Vorlochoperation
4.3.1 Prüfkonzept und Versuchsplan
4.3.2 Versuchsergebnisse – Quasistatische Prüfung
4.3.3 Versuchsergebnisse – Ermüdungseigenschaften
4.3.4 Versuchsergebnisse – Zerstörungsfreie Prüfung
4.3.5 Zusammenfassende Bewertung
4.4 Berechnungskennwerte für FKV-Bauteile zur Identifizierung des Montagezustands einer Schraubenverbindung
4.4.1 Grundlagen des Verformungsverhaltens der verspannten Bauteile
4.4.2 Grundlagen der Grenzflächenpressung
4.4.3 Prüfkonzept
4.4.4 Versuchsergebnisse – Verformungsverhalten
4.4.5 Versuchsergebnisse – Grenzflächenpressung
4.5 Auswirkungen von FKV-Bauteilen auf das Betriebsverhalten einer Schraubenverbindung
4.5.1 Retardation im Grundwerkstoff
4.5.2 Vorspannkraftverlust in der Schraubenverbindung
4.5.3 Bestimmung der Gleitlast
4.5.4 Zusammenfassende Bewertung
5 Ergebnisse und Ausblick
6 Literaturverzeichnis
7 Anhang