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EFB-Forschungsbericht Nr. 205

Fügen von Aluminiumfeinblechen mittels Stanznieten und Kleben unter Verwendung von Klebbändern und Klebstofffolien

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Ing. Heiko Wetter, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

133 Seiten (sw 83 Abb., 12 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-162-8

Preis (Digital) EUR 66,00

Preis (Print) EUR 73,80

Zusammenfassung

Es wurde zum einen die Fügetechnologie Stanzniet-Kleben unter Verwendung von Klebebändern und Klebstofffolien systematisch untersucht und zum anderen wurden wesentliche Kennwerte zur Beschreibung des Tragverhaltens entsprechend gefügter Aluminiumfeinbleche bereitgestellt.

In der ersten Projektphase wurden Festigkeitseigenschaften elementar geklebter und stanzgenieteter Verbindungen ermittelt. Auf Basis der Bemusterungen der elementar stanzgenieteten Verbindungen der Aluminiumfeinbleche wurden mit Standard-Nietwerkzeugen Hybridverbindungen unter Verwendung von vernetzenden Klebebandsystemen hergestellt. Es stellt sich ein ausreichender Hinterschnitt ein, die Gefahr matrizenseitiger Ausbrüche ist nicht vorhanden und durch eine geringfügige Reduzierung des Stempelweges wird eine optimale Nietkopfendlage erreicht.

Charakteristisch ist bei Hybridverbindungen mit Klebebandsystemen, dass die Bänder nicht wie pastöse Klebstoffe aus dem Bereich unter dem Niederhalter verdrängt, sondern lediglich gestaucht werden. Dies führt zu einer vorhandenen Klebschicht bis nahe bzw. direkt an den Nietschaft. Problematisch gestaltet sich die Verwendung von Klebbandsystemen hinsichtlich einer Delamination im Bereich zwischen zwei Halbhohlstanznieten. Verformungsmessungen an einem zur Ermittlung von durch den Stanznietprozess induzierten Fügeteilverformung konzipierten Messstand belegen, dass bei der Verwendung von Klebebandsystemen nicht wie bei pastösen Klebsystemen von einer Taschenbildung gesprochen werden kann.

Weiterhin wurden Kennwerte hybridgefügter Verbindungen mit vernetzenden Klebebändern, Klebstofffolien und als Referenz mit einem pastösen Strukturklebstoff auf EP-Basis an Verbindungen der Kombination AlMg0,4Si1,2 in AlMg5Mn ermittelt. Für die Festigkeitsermittlung unter quasistatisch-zügiger Belastung wurden Zwei-Element-Proben mit einem Nietabstand von 50mm verwendet, um die Klebschichtausbildung zwischen zwei Nieten zu berücksichtigen.

Bei den Ergebnissen der quasistatisch-zügigen Prüfungen zeigt sich, dass das in der ersten Projektphase ermittelte gute Festigkeitsverhalten der vernetzenden Klebebandsysteme hier nicht vollständig ausgeschöpft werden kann. Grund hierfür ist eine geschwächte Grenzschicht zwischen Klebschicht und Fügeteilen, die durch den fehlenden Anpressdruck zwischen den Nietelementen verursacht wird. Einen großen Einfluss hierbei haben neben den Prozessparametern und den Klebebandeigenschaften die Toleranzen der Fügeteile. Unregelmäßigkeiten der Spaltmaße können aufgrund des gegenüber ihrer Substanzfestigkeit geringen bis zu nicht vorhandenen Tacks nicht wie bei pastösen Klebstoffen ausgeglichen werden.

Diverse Untersuchungen wie z.B. die Variation des Nietabstandes, die Variation der Fügeteilgeometrie oder der Vergleich mit Hybridverbindungen mit anderen mechanischen Fügetechnologien geben weitere Aufschlüsse über Potenziale und Nachteile der Fügetechnik Stanzniet-Kleben unter Verwendung von Klebebändern und Klebstofffolien. In Korrelation zur Ermittlung der Festigkeitseigenschaften unter quasistatisch-zügiger Belastung stellen sich auch bei der Ermittlung der Festigkeitseigenschaften bei dynamisch-schwingender Belastung die höchsten übertragbaren Kräfte bei den geklebten Verbindungen dar.

Während bei den Verbindungen mit dem pastösen Referenzklebstoff die elementar geklebten wie auch die stanzniet-geklebten durch einen Fügeteilbruch auf identischem Niveau versagen, ist bei den Verbindungen mit einem vernetzenden Klebeband ein deutlicher Festigkeitsabfall der stanzniet-geklebten Verbindungen gegenüber den elementaren Klebverbindungen zu verzeichnen. Die Ergebnisse der Festigkeitsprüfung unter dynamisch-schlagartiger Belastung zeigen hinsichtlich der Energieaufnahme einen noch stärkeren Unterschied zwischen den vernetzenden Klebebändern und dem pastösen Referenzklebstoff als bei der Prüfung unter quasistatisch-zügiger Belastung.

Bei nicht sicherheitsrelevanten Bauteilen eignen sich vernetzende Klebebandsysteme auf EP-Basis prinzipiell für das Stanzniet-Kleben. Die im Rahmen des Projektes erarbeiteten Ergebnisse geben Hinweise zur Auslegung und Fertigung stanzniet-geklebter Bauteile unter Verwendung von Klebebändern und Klebstofffolien.

Das Forschungsvorhaben „Fügen von Aluminiumfeinblechen mittels Stanznieten und Kleben unter Verwendung von Klebebändern und Klebstofffolien“ wurde unter der Fördernummer AiF 12808N von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 205 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Erkenntnisse
2.1 Stanznieten
2.2 Kleben
2.2.1 Grundlagen
2.2.2 Klebebänder und Klebstofffolien
2.3 Hybridfügen
3 Aufgabenstellung
4 Prüfeinrichtungen und -verfahren
4.1 Prüfung unter quasistatisch-zügiger Belastung
4.2 Prüfung unter dynamisch-schwingender Belastung
4.3 Prüfung unter dynamisch-schlagartiger Belastung
4.4 Rasterelektronenmikroskop
4.5 Modifizierter Druckversuch
4.6 Vorrichtung zur Ermittlung von Fügeteilverformungen
4.7 Klimawechsellagerung
5 Fügeteilwerkstoffe, Kleb- und Fügesysteme
5.1 Fügeteilwerkstoffe
5.2 Klebsysteme
5.2.1 Vernetzende Klebebänder, Klebfilme und Klebstofffolien
5.2.2 Haftklebebänder
5.2.3 EP 208
5.3 Fügesysteme
5.3.1 Stanznietsystem und Fügeeinrichtung
5.3.2 Blindnietsystem
6 Elementar gefügte Verbindungen
6.1 Charakterisierung der Klebsysteme
6.1.1 Verarbeitbarkeit
6.1.2 Stauchverhalten der Klebsysteme bei einer Druckbeanspruchung im nicht ausgehärteten Zustand
6.1.3 Festigkeitsverhalten unter quasistatisch-zügiger Belastung
6.1.4 Einfluss der Oberflächenvorbehandlung auf die Festigkeitseigenschaften unter quasistatisch-zügiger Belastung
6.2 Stanznietverbindungen
6.2.1 Bemusterung der elementar stanzgenieteten Verbindungen
6.2.2 Festigkeitsverhalten elementar stanzgenieteter Verbindungen unter quasistatisch-zügiger Belastung
7 Untersuchungen zum Fertigungsprozess von Hybridverbindungen
7.1 Einfluss der Klebsysteme auf die Fügeelementausbildung
7.1.1 Halbhohlstanzniet
7.1.2 Halbhohlstanzniet mit Flachkopf
7.1.3 Vollstanzniet
7.2 Einfluss des mechanischen Fügeprozesses auf die Klebschichtausbildung
7.2.1 Halbhohlstanzniet
7.2.2 Vollstanzniet
7.2.3 Blindniet
8 Festigkeitsverhalten
8.1 Festigkeitsverhalten unter quasistatisch-zügiger Belastung
8.1.1 Einfluss des Nietabstandes
8.1.2 Einfluss von Bauteiltoleranzen und – Steifigkeiten
8.1.3 Einfluss der Klebebandsystemdicke
8.1.4 Einfluss des mechanischen Fügeverfahrens
8.1.5 Aluminium / Stahl-Mischverbindung
8.1.6 Einfluss der Alterung
8.2 Festigkeitsverhalten unter dynamisch-schwingender Belastung
8.3 Festigkeitsverhalten unter dynamisch-schlagartiger Belastung
9 Hinweise zur Auslegung und Fertigung stanzniet-geklebter Verbindungen unter Verwendung von Klebebandsystemen
9.1 Konzeption
9.2 Konstruktion
9.3 Fertigung
9.4 Qualitätssicherung
10 Zusammenfassung und Ausblick
11 Literaturverzeichnis