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EFB-Forschungsbericht Nr. 508

Kragenziehen von Sandwichblechen

efb508

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, M.Sc. Dominic Griesel, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, Technische Universität Darmstadt

72 Seiten (sw, 46 teils farbige Abb., 1 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-562-6

Preis (Digital) EUR 58,00

Preis (Print) EUR 66,00

Zusammenfassung

Moderne Halbzeuge wie Sandwichbleche ermöglichen Leichtbau durch beanspruchungsgerechte Gestaltung von Bauteilen auf Werkstoffebene. Die große Bandbreite an unterschiedlichen mechanischen und physikalischen Eigenschaften, die beim Einsatz solcher moderner Verbundwerkstoffe in einem einzigen Halbzeug vereint sind, stellt jedoch neue Herausforderungen für etablierte Fertigungsverfahren dar. Insbesondere konventionelle Fügeverfahren können nur eingeschränkt bzw. mit erhöhtem Aufwand angewendet werden.

Gegenstand des vorliegenden Forschungsvorhabens war daher die Untersuchung des Kragenziehens als Möglichkeit, in Sandwichblechen versteifte Fügestellen zu erzeugen. Dies wurde anhand von Experimenten und ergänzenden Simulationen durchgeführt.

Zunächst wurde ein parametrisiertes, numerisches Modell aufgebaut und im Laufe des Projektes fortlaufend erweitert. Dieses diente dazu, die Konstruktion der Versuchswerkzeuge zu unterstützten. Weiterhin konnte anhand des Modells ein grundlegendes Prozessverständnis für das Kragenziehen von Sandwichblechen entwickelt und die Auslegung der Versuchswerkzeuge unterstützt werden.

Für die experimentelle Untersuchung wurde zunächst ein bestehendes Werkzeug für das Konterscherschneiden, welches eine dem Kragenziehen ähnliche Kinematik besitzt, konstruktiv angepasst. Der Werkzeugaufbau ist modular gestaltet, um eine schnelle und einfache Variation der Werkzeuggeometrie zu realisieren. In breit angelegten Versuchsreihen und ergänzenden Simulationen wurden Prozessfenster für zwei verschiedene Sandwichbleche ermittelt.

Die erreichten Grenzaufweitverhältnisse liegen unter denen konventioneller Bleche, jedoch sind für viele Anwendungen ausreichend hohe Kragen realisierbar. Weiterhin stellen große Stempelradien, große Ziehringradien sowie der Einsatz eines Gegenhalters geeignete Möglichkeiten dar, die Prozessgrenzen zu erweitern.

Für die Verbindung zwischen zwei Blechen bzw. einem Blech und einem Massivelement wurden Konzepte ausgearbeitet, hergestellt und bezüglich ihrer Verbindungsfestigkeit bewertet. Es zeigt sich, dass die Versteifung durch Kragen einen positiven Einfluss auf die Verbindungsfestigkeit und das Kriechverhalten hat.

Das IGF-Vorhaben „Kragenziehen von Sandwichblechen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18773N 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. 508 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Modern semi-finished products such as sandwich sheets achieve lightweight construction through load-optimized component design at the material level. However, the wide range of different mechanical and physical properties that are combined in a single part made from those modern composite materials presents new challenges for established manufacturing processes. In particular, conventional joining processes can only be applied to a limited extent or with increased effort.

The objective of the present research project was the investigation of hole-flanging as a possibility to produce stiffened joints in sandwich sheets. This was done using experiments and supplementary simulations.

First, a parameterized, numerical model was developed, which was continuously extended over the course of the project. This model was used to support the design of the experimental tools, to develop a basic process understanding for the hole-flanging process of sandwich panels and to support the design of the test tools.

For the experimental investigation, an existing tool for counter shear cutting, which has a kinematic similar to hole-flanging, was modified. The tool was designed modularly in order to realize a quick and easy variation of its geometry. In extensive test series and supplementary simulations, process windows for two different sandwich sheets were determined.

The achieved limit expansion ratios are lower than those of conventional sheets, but sufficiently high flanges can be realized for many applications. In addition, large punch radii, large die radii and the use of a counter punch were identified as feasible ways of extending the process limits.

Concepts for the connection between two sheets or one sheet and a solid element were developed, produced and assessed with regard to their joint strength. It was shown that stiffening effect of the hole-flanges has a positive influence on the joint strength and creep behaviour.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Sandwichstrukturen
2.1.1 Aufbau
2.1.2 Berechnung
2.2 Umformung von Sandwichblechen
2.3 Fügen von Sandwichblechen
2.4 Kragenziehen
2.5 Kragen als Fügestellen
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Versuchsanlagen und Messmittel
4.1 Servomotorpresse Synchropress SWP 2500
4.2 Zug-Druck-Prüfmaschine Zwick Roell 100
4.3 Messtechnik
5 Modellbildung
5.1 Aufbau des FE-Modells
5.2 Modellierung der unterschiedlichen Schichten des Sandwichblechs
5.2.1 Volumen-Volumen-Volumen
5.2.2 Schale-Volumen-Schale
5.2.3 Weitere Modellvarianten
6 Konstruktion und Fertigung des Versuchswerkzeugs
7 Kragenziehen von Sandwichblechen – Eigenschaften und Prozessgrenzen
7.1 Kragengeometrie
7.2 Fehlergrößen
7.3 Prozessfenster
7.4 Erweiterung der Prozessgrenzen
7.4.1 Variation der Stempelform
7.4.2 Einsatz eines Gegenhalters
7.4.3 Variation der Niederhalterkraft
7.4.4 Schmierstoffeinfluss
7.4.5 Vorlochherstellung
7.4.6 Abstreckverhältnis
7.4.7 Ziehringkantenradius
7.5 Einflussparameter
8 Fügeverbindungen auf Basis von Sandwichkragen
8.1 Direktverschraubung
8.1.1 Herstellung und Prüfung
8.1.2 Ergebnisse
8.2 Gebördelter Kragen
8.2.1 Herstellung und Prüfung
8.2.2 Ergebnisse
8.3 Kragen-in-Kragen-Verbindung
9 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
9.1 Ableitung von Handlungsrichtlinien
10 Literaturverzeichnis