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EFB-Forschungsbericht Nr. 199

Fügen von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen und Kunststoff mittels Nietverfahren

EFB199.jpg

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

109 Seiten (Sw 20, teils farbige Abb., 40 Tab., 24 Diag.)

ISBN: 978-3-86776-155-0

Preis (Digital) EUR 54,00

Preis (Print) EUR 61,00

Zusammenfassung

Der Einsatz marktetablierter Niettechniken zum Verbinden von Kunststoffen mit Metallen wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens untersucht. Hierbei wurden primär für die Verbindungsherstellung an Metallen entwickelte Blindniet- und Halbhohlstanznietsysteme betrachtet. Übergeordnete Ziele waren die Detektion der Verfahrensgrenzen bei diesen Fügeaufgaben und Anpassung der Blindniet- und Halbhohlstanzniettechnik an die besonderen Anforderungen des Werkstoffs Kunststoff.

Hierzu wurde zunächst in einer ersten Projektphase das Einsatzpotential handelsüblicher Blindniet- und Halbhohlstanznietsysteme zum Verbinden von Kunststoffen mit Metallen untersucht. Durch den Einsatz handelsüblicher hochfester Blindnietsysteme und Mehrbereichsblindnietsysteme konnten alle untersuchten Werkstoffkombinationen im Labormaßstab prozesssicher verbunden werden. Insbesondere bei setzkopfseitiger Anordnung der Polymerwerkstoffe konnten qualitativ hochwertige Verbindungen realisiert werden. Bei schließkopfseitiger Anordnung der Kunststoffe stellten sich jedoch Einzüge sowie ein Einprägen der Schließköpfe in die Kunststofffügeteile ein. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund der Kriechneigung der untersuchten Kunststoffe negativ zu bewerten. Für diese Fügerichtung wurden Optimierungen der Blindnietsysteme im Hinblick auf angepasste Klemmlänge und Anzugs- sowie verbleibende Klemmkraft vorgenommen, wodurch eine Minimierung bzw. vollständige Verhinderung der Einprägeffekte erzielt wurde.

Der Einsatz handelsüblicher Halbhohlstanznietsysteme zum Verbinden von Kunststoffen mit Metallen machte deutlich, dass diese Niettechnologie ebenfalls prinzipiell geeignet ist diese Werkstoffe zu verbinden. Um mittels handelsüblicher Systeme eine Verbindungsherstellung zu ermöglichen, sollte primär die Fügerichtung Kunststoff in Metall angestrebt werden, wobei auch in dieser Fügerichtung eine werkstoffkombinationsabhängige Anpassung der Prozessparameter zwingend zu empfehlen ist, da hier von einer Spaltbildung im Nietfußbereich ausgegangen werden kann.

Bei matrizenseitiger Anordnung der unverstärkten Kunststoffe ist eine Verbindungsherstellung nur durch Optimierung der Geometrie des Fügeteils und des Stanznietes möglich. Bei der Realisierung von Kunststoff-Metallverbindungen mittels Halbhohlstanznieten ist die geringe Knicksteifigkeit der Kunststoffe zu beachten, welche bei Mehrpunktverbindungen zu deutlich höheren Taschenbildungen führt, als dies bei Metall-Metall-Verbindungen bekannt ist. Hier kann insbesondere den Anforderungen an Bauteiloptik und Eignung als Hybridfügetechnik entsprochen werden, indem eine gezielte, bauteilabhängige Optimierung der Nietgeometrie, der Fügereihenfolge, Fügepunktabstände und –anzahl vorgenommen wird. Bei der Verbindungsherstellung an faserverstärkten Kunststoffen ist die Art der Faserverstärkung entscheidend für die Verbindungsherstellung und Verbindungscharakteristik.

Durch die im Rahmen des Projektes durchgeführten Untersuchungen wurden den Anbietern und Anwendern von Niettechnologien die besonderen Herausforderungen und erforderlichen Optimierungsmaßnahmen für Blindniet- und Halbhohlstanznietsysteme aufgezeigt, welche bei der Herstellung von Mischverbindungen aus unverstärkten thermoplastischen Kunststoffen und metallischen Werkstoffen auftreten können. Für diese Fügesysteme wurden Hinweise zum prozesssicheren und wirtschaftlichen Einsatz in Strukturen aus Polymeren und Metallen abgeleitet. Die Verfahrensgrenze der Halbhohlstanzniettechnologie wurde darüber hinaus für den Einsatz als Verbindungstechnik bei matrizenseitiger Anordnung eines Kunststofffügeteils ausgeweitet.

Das Forschungsvorhaben „Fügen von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen und Kunststoffen mittels Nietverfahren“ wurde unter der Fördernummer AiF 12807N 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. 199 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

I Inhaltsverzeichnis
II Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Zielsetzung und Arbeitsprogramm
3 Stand der Erkenntnisse
3.1 Fügen von metallischen mit polymeren Werkstoffen
3.2 Einordnung und Charakterisierung untersuchter Niettechnologien
3.2.1 Blindniettechnik
3.2.2 Halbhohlstanzniettechnik
4 Versuchseinrichtungen und Probengeometrien
4.1 Prüfmaschinen und Probengeometrien zur Kennwertermittlung
4.2 Versuchseinrichtungen und Probengeometrien zur Untersuchung der Oberflächentopografien
5 Versuchswerkstoffe
6 Eigenschaftsprofil mittels handelsüblicher Nietsysteme hergestellter Mischverbindungen
6.1 Blindnieten
6.1.1 Fügeelementausprägung
6.1.2 Trag- und Versagensverhalten
6.1.3 Diskussion der Ergebnisse und Ableitung von Optimierungsansätzen
6.2 Halbhohlstanznieten
6.2.1 Fügeelementausprägung
6.2.2 Trag- und Versagensverhalten
6.2.3 Diskussion der Ergebnisse und Ableitung von Optimierungsansätzen
7 Optimierung der Nietsysteme und Prozessparameter
7.1 Blindnieten
7.1.1 Vergleich der Fügeelementausprägungen
7.1.2 Vergleich des Trag- und Versagensverhaltens
7.1.3 Diskussion der Optimierungsergebnisse
7.2 Halbhohlstanznieten
7.2.1 Maßnahmen zur Spaltreduzierung bei stempelseitiger Anordnung eines Kunststofffügeteils
7.2.1.1 Einfluss der konstruktiven Gestaltung des Verbindungsbereiches
7.2.1.2 Einfluss der Fügeteilwerkstofftemperatur
7.2.1.3 Diskussion der Optimierungsergebnisse
7.2.2 Verbindungsherstellung bei matrizenseitiger Anordnung eines Kunststofffügeteils
7.2.2.1 Einfluss der Niet- und Matrizengeometrie
7.2.2.2 Einfluss der Fügeteilwerkstofftemperatur
7.2.2.3 Einfluss der Fügegeschwindigkeit
7.2.2.4 Einfluss der konstruktiven Gestaltung des Verbindungsbereiches unter Variation der Niet- und Matrizengeometrie
7.2.2.5 Diskussion der Optimierungsergebnisse
8 Halbhohlstanznieten faserverstärkter Polymerwerkstoffe mit metallischen Werkstoffen
9 Untersuchung der Oberflächenqualität des Verbindungsbereichs
9.1 Farbveränderungen bzw. Trübungen der Kunststofffügeteile
9.2 Taschenbildung der Kunststofffügeteile
10 Trag- und Versagensverhalten optimierter Halbhohlstanznietverbindungen
10.1 Einfluss der Überlappungslänge
10.2 Einfluss der Setzkopfgeometrie
10.3 Temperaturabhängigkeit des Tragverhaltens
10.4 Zeitstanduntersuchungen
11 Zusammenfassung
12 Literatur
13 Abbildungsverzeichnis
14 Diagrammverzeichnis
15 Tabellenverzeichnis