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EFB-Forschungsbericht Nr. 518

Entwicklung eines Fügeelements mit integriertem strukturierten Formabschnitt

efb518

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Per Heyser, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn - Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder, M. Sc. Marcel Droß, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, Technische Universität Braunschweig

168 Seiten (sw, 100 teils farbige Abb., 36 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-572-5

Preis (Digital) EUR 68,34

Preis (Print) EUR 86,00

Zusammenfassung

Im Forschungsprojekt „Entwicklung eines Fügeelements mit integriertem strukturiertem Formabschnitt" (EFB Nr. 03/215 - IGF 19153 N) konnte erfolgreich ein innovatives Pin-strukturiertes Hilfsfügeteil entwickelt werden, das zur erheblichen Steigerung der Tragfähigkeit von mechanisch gefügten Verbindungen zwischen Metall und Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) führt. Der tragfähigkeitssteigernde Effekt beruht dabei auf einer Entlastung kritischer Lochrandbereiche des FKV durch eine Lasteinleitung über die Pin-Strukturen um den Bohrungsbereich herum.

Des Weiteren kommt es nach Erreichen der versagenskritischen Lasten zu einem Fail-Safe-Verhalten, da die Pin-Strukturen einen verkrallenden Effekt im FKV hervorrufen. Das resultierende FKV-Versagen tritt dabei durch einen kombinierten Flankenzug- und Spaltbruch auf.

Für die durchgeführten Untersuchungen wurden verschiedene mechanische Fügever-fahren (Blindnieten, konventionelle Verschraubungen und Fließlochschrauben) und Materialkombinationen aus Stahllegierung (HC340LA) mit flächigen FKV-Materialien (GF-PP, GF-PA6, CF-PA66 und CF-EP) sowie unterschiedlichen Hilfsfügeteilwerkstoffen (1.4301, 1.4571, 1.5528 und 3.7035) betrachtet.

Für die Entwicklung des Pin-strukturierten Hilfsfügeteils wurde zunächst, aufbauend auf einer nationalen und internationalen Recherche, eine Zusammenstellung potentieller Fertigungskonzepte erarbeitet. Hierbei sind sowohl kombinierte Verfahren aus Stanz- und Umformtechnik, als auch teilspanende Verfahren und additive Verfahren ermittelt worden. Unter Verwendung dieser Verfahren wurden so erste Pin-strukturierte Hilfsfügeteile hergestellt.

In den Untersuchungen zur Einbringmethodik wurden verschiedene Verfahren betrachtet, um eine effiziente und schädigungsarme Einbringung in den FKV zu gewährleisten. Analysiert worden sind dabei ein wärmefreies, ein infrarotunterstütztes sowie ein ultraschallunterstütztes Verfahren. 

Zur Ermittlung der Kennwerte der hergestellten Hilfsfügeteile erfolgten umfangreiche quasistatische, dynamisch-schlagartige und zyklische Prüfungen sowie Betrachtungen auftretender Kontaktkorrosion durch einen VDA-Klimawechseltest. In den Tragfähigkeitsuntersuchungen konnte eine Steigerung der Tragfähigkeit durch den Einsatz der Pin-strukturierten Hilfsfügeteile von über 45 % unter quasistatischer Scherzugbelastung erzielt werden.

Das ausgesprochene Ziel des Forschungsvorhabens mit der Entwicklung eines Pin-strukturierten Hilfsfügeteils zur Steigerung der Tragfähigkeit von mechanisch gefügten Fügeverbindungen aus Metall und FKV wurde erreicht.

Es gilt nun die gewonnenen Erkenntnisse auf verschiedene Anwendungsfelder zu adaptieren, die bisher entwickelten Setzanlagenkonzepte zu detaillieren sowie ein entsprechendes seriennahes Stanz- und Umformwerkzeug für einen möglichen industriellen Einsatz aufzubauen.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Entwicklung eines Fügeelements mit integriertem strukturierten Formabschnitt" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19153N 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. 518 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In the research project "Design and Development of a joining element featuring an in-tegrated structured geometry"(EFB No. 03/215 - IGF 19153 N), an innovative pin-structured auxiliary joining element was successfully developed which leads to a considerable increase in the load-bearing capacity of mechanically joined connections between metal and fibre-reinforced plastics (FRP).

The load capacity increasing effect is based on a relief of critical hole edge areas of the FRP by a load introduction over the pin structures around the drilled area. Furthermore, a fail-safe behaviour occurs after the failure-critical loads have been reached, since the pin structures cause a clawing effect in the FRP.

Various mechanical joining processes (blind rivets, conventional screw joints and flow drilling screws) and material combinations of steel alloy (HC340LA) with two-dimensional FRP materials (GF-PP, GF-PA6, CF-PA66 and CF-EP) as well as different metals for the auxiliary joining element (1.4301, 1.4571, 1.5528 and 3.7035) were considered for the investigations carried out.

For the development of the pin-structured auxiliary joining element, a compilation of potential manufacturing concepts was first developed, based on national and international research. In the process, both combined processes from stamping and forming technology, as well as partial chip removal processes and additive processes were determined. Using these methods, the first pin-structured auxiliary joining elements were produced at a very early stage of the research project.

In the investigations of the application methodology, various methods were considered in order to ensure an efficient and low-damage application into the FKV. A heat-free, an infrared-assisted and an ultrasonic-assisted method were analysed.

In order to determine the characteristic values of the auxiliary joining parts produced, extensive quasi-static, dynamic-impact and cyclic tests as well as considerations of occurring contact corrosion were carried out using a VDA climate change test. In the load-bearing capacity investigations, an increase in the load-bearing capacity of more than 45 % under quasi-static loading was achieved through the use of pin-structured auxiliary joining parts.

The explicit goal of the research project with the development of a pin-structured auxiliary joining element to increase the load-bearing capacity of mechanically joined metal and FRP joints was achieved.

It is now necessary to adapt the knowledge gained to various fields of application, to detail the setting system concepts developed to date and to develop a corresponding stamping and forming tool for possible industrial use.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Anlass für das Forschungsvorhaben
2 Stand von Wissenschaft und Technik
2.1 Mechanische Fügeverfahren
2.1.1 Blindnieten
2.1.2 Befestigungsschrauben
2.1.3 Fließloch- und gewindeformendes Schrauben
2.2 Herausforderungen beim mechanischen Fügen von Faser-Kunststoff-Verbunden
2.3 Versagensformen bei Bolzenverbindungen
2.4 Strukturierungen auf metallischen Halbzeugen als Lasteinleitungselemente
2.4.1 Umformende Strukturierungsverfahren
2.4.2 Additive Strukturierungsverfahren
2.4.3 Strukturierung durch energetische Strahlverfahren
2.4.4 Pin-Technologie durch Setzprozesse und Fließformen
2.4.5 Strukturierung durch teilspanende Verfahren
2.5 Fazit zum Stand der Technik
3 Forschungsziel und Lösungsweg
3.1 Forschungsziel
3.1.1 Forschungsergebnisse
3.1.2 Innovativer Beitrag der Forschungsergebnisse
3.2 Methodischer Ansatz zur Erreichung des Forschungsziels
4 Versuchsrandbedingungen
4.1 Versuchswerkstoffe
4.2 Verwendete Hilfsfügeteile
4.3 Versuchsanlagen
4.3.1 Zwick Z100
4.3.2 Zwick 1484
4.3.3 Zwick 1486
4.3.4 Fräsportal
4.3.5 Wasserstrahlschneidanlage
4.3.6 TOX® 2-Säulen-Laborpresse
4.3.7 Instron VHS 65/80-20
4.3.8 Korrosionsprüfgerät SKB 100 A-TR
4.3.9 Weber-Schraubautomat für fließlochformende Schrauben
4.3.10 Ultraschallschweiß USM SAPHIR-D2040
4.3.11 Pneumatisch-hydraulisches Blindniet-Setzgerät
4.4 Prüfkörper
5 Konzepte zur Herstellung strukturierter Hilfsfügeteile
5.1 Teilspanende Pin-Strukturierung
5.2 Additive Erzeugung Pin-strukturierter Hilfsfügeteile
5.3 Stanz-umgeformte Pin-Strukturierung
5.4 Fazit zur konzeptionellen Herstellung Pin-strukturierter Hilfsfügeteile
6 Numerische Betrachtung der Lasteinleitung
6.1 Aufbau des Simulationsmodells
6.2 Durchgeführte numerische Untersuchungen
6.3 Evaluierung des Simulationsmodells
6.4 Bewertung der Simulationsergebnisse
6.4.1 Bewertung des Einzel-Pin-Einflusses
6.4.2 Bewertung der Pin-Konfiguration
6.5 Fazit zur numerischen Betrachtung der Lasteinleitung
7 Entwicklung einer Einbringmethodik
7.1 Einbringuntersuchungen von einzelnen, abstrahierten Pins
7.2 Einbringung der Pin-strukturierten Hilfsfügeteile durch Einpressen (ohne thermische Unterstützung)
7.3 Infrarotunterstützte Einbringung der Pin-strukturierten Hilfsfügeteile
7.4 Ultraschallunterstütze Einbringung
7.5 Gegenüberstellung der entwickelten Einbringmethoden
8 Konzeptumsetzung und Demonstratorfertigung
8.1 Herstellung und Analyse Pin-strukturierter Hilfsfügeteile
8.1.1 Teilspanend Pin-strukturierte Hilfsfügeteile
8.1.2 Stanzumformend Pin-strukturierte Hilfsfügeteile
8.2 Evaluation der Tragfähigkeitssteigerung stanz-umformtechnisch hergestellter Pin-strukturierter Hilfsfügeteile
8.3 Zur Konzeptumsetzung und Demonstratorfertigung von Pin-strukturierten Hilfsfügeteilen
9 Werkzeugbau und Teileherstellung
9.1 Fazit zum Werkzeugbau und der Teileherstellung
10 Klemmkraftmessung
10.1 Einfluss der polymeren Matrix auf den Klemmkraftverlauf
10.2 Einfluss Pin-strukturierter Hilfsfügeteile auf den Klemmkraftverlauf
10.3 Einfluss der Temperatur auf den Klemmkraftverlauf
10.4 Einfluss der Feuchtigkeit auf den Klemmkraftverlauf
10.5 Einfluss der Einbringmethode auf den Klemmkraftverlauf
10.6 Fazit zur Klemmkraftmessung
11 Kennwertermittlung
11.1 Voruntersuchungen
11.2 Scherzugprüfung unter quasistatischer Belastung
11.2.1 Variation von mechanischen Fügeverfahren und FKV
11.2.2 Scherzuguntersuchungen an hybridgefügten Proben unter quasistatischer Belastung
11.3 Scherzuguntersuchungen unter schlagartiger Belastung
11.4 Zyklische Tragfähigkeitsuntersuchungen
11.5 Kopfzuguntersuchungen unter quasistatischer Belastung
11.6 Untersuchung zur Druck-Lochkerbfestigkeit
11.7 Fazit zur Kennwertermittlung
11.8 Korrosionsuntersuchung
12 Setzanlagenkonzepte
12.1 Setzanlagenkonzept mit wärmefreier Einbringung
12.2 Setzanlagenkonzept mit ultraschallunterstützter Einbringung
12.3 Gegenüberstellung und Bewertung der erarbeiteten Setzanlagenkonzepte
12.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
13 Ergebnisse und Ausblick
14 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für kleine und mittelständische Unternehmen
15 Literaturverzeichnis
15.1 Normen und Richtlinien
15.2 Patente