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EFB-Forschungsbericht Nr. 520

Klemmkraftbasierte thermisch induzierte Schädigung von FKV

efb520

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M.Sc. Julian Vorderbrüggen, M.Sc. Florian Augenthaler, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

172 Seiten (sw, 123 teils farbige Abb., 16 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-574-9

Preis (Digital) EUR 71,03

Preis (Print) EUR 89,00

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden thermisch induzierte Schädigungen an mechanisch gefügten und anschließend thermisch belasteten FKV-Metall-Verbindungen untersucht und mögliche Abstellmaßnahmen zur Minimierung der Schädigungen entwickelt. Dazu wurden zunächst die verwendeten FKV-Materialien hinsichtlich unterschiedlicher mechanischer und thermischer Kennwerte charakterisiert.

Um gezielt einzelne Einflussfaktoren auf die Schädigungsbildung isoliert zu untersuchen, wurde ein Ersatzversuch entwickelt, mithilfe dessen Probekörper definiert vorgespannt und thermisch ausgelagert werden können und der die Erfassung des zeitlichen Klemmkraftverlaufes der Verbindung während der thermischen Behandlung ermöglicht. Die entstandenen Laminatschädigungen wurden mithilfe der Ultraschalltechnik ermittelt und anhand von Delaminationsfaktoren quantifiziert, wodurch auch die Vergleichbarkeit unterschiedlicher mechanischer Fügeverfahren ermöglicht wird.

Im Ersatzversuch identifizierte Haupteinflussfaktoren konnten anhand von thermisch ausgelagerten Realverbindungen validiert werden. Anhand des gewonnenen Effektverständnisses wurden verschiedene Abstellmaßnahmen abgeleitet, welche einerseits die Ursachen thermisch induzierter Schädigungen beheben, andererseits deren Auswirkungen minimieren. Anhand von optischen Messungen an Mehrelementproben während der thermischen Behandlung konnte der Einfluss der entwickelten Abstellmaßnahmen auf das Verformungs- sowie Schädigungsverhalten infolge überlagerter delta-alpha Effekte ermittelt werden.

Die Beeinträchtigung der Verbindungseigenschaften durch thermisch induzierte Schädigungen sowie die Validierung der entwickelten Abstellmaßnahmen erfolgte anhand eines Festigkeitsnachweises unter quasistatischer sowie zyklischer Belastung.

Das IGF-Vorhaben „Klemmkraftbasierte thermisch induzierte Schädigung von FKV" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19248N 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. 520 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Within the scope of this research project, thermally induced damage to mechanically joined and subsequently thermally stressed FRP-metal joints was investigated and possible remedial measures to minimize the damage were developed. First, the fiber-plastic composites used were characterized with regard to different mechanical and thermal characteristic values. In order to investigate individual factors influencing the formation of damage in an isolated manner, a substitute test was developed.

With this substitute test FRP-specimens can be pre-stressed in a defined manner and thermally stressed. Furthermore it enables the recording of the temporal clamping force curve of the joint during the thermal treatment. The resulting laminate damage was determined using ultrasonic technology and quantified using delamination factors, which also makes it possible to compare different mechanical joining processes. The main influencing factors identified in the substitute test could be validated on the basis of thermally stressed joints.

On the basis of the acquired understanding of the effects, various remedial measures were derived which, on the one hand, remedy the causes of thermally induced damage and, on the other hand, minimize its effects. Optical measurements on multi-element samples during the thermal treatment were used to determine the influence of the developed remedial measures on the deformation and damage behavior due to superimposed delta-alpha effects.

The impairment of the joint properties by thermally induced damage as well as the validation of the developed remedial measures was carried out on the basis of a proof of strength under quasistatic as well as cyclic loading.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Faser-Kunststoff-Verbunde
2.2 Einfluss der Temperatur auf FKV
2.3 Schädigungsverhalten von FKV
2.4 Mechanische Fügetechnik zum Verbinden von Faser-Kunststoff-Verbunden
2.4.1 Halbhohlstanznieten
2.4.2 Vollstanznieten
2.4.3 Reservoirstanznieten
2.4.4 Blindnieten
2.4.5 Schließringbolzensetzen
2.4.6 Fließlochformendes Schrauben
3 Versuchsrandbedingungen
3.1 Versuchswerkstoffe
3.2 Versuchsanlagen
3.2.1 BÖLLHOFF Gen²
3.2.2 TOX® Vollstanznietanlage
3.2.3 Schraubautomat Weber RSF 20
3.2.4 Blindnietsetzgerät GESIPA® AccuBird
3.2.5 Schließringbolzensetzgerät TITGEMEYER MS75
3.2.6 Fräsportal
3.3 Prüfmethoden
3.3.1 Ultraschallprüfgerät Olympus OmniScan MX2
3.3.2 Mettler TMA 40
3.3.3 Netzsch DMA 242
3.3.4 Kraftmessring ALF313
3.3.5 Universalprüfmaschine Zwick 100
3.3.6 Dynamische Prüfmaschine Instron 8801
3.4 Hilfsfügeteile
3.4.1 Halbhohlstanzniet C5x5 / C5x6 H4 FRK
3.4.2 Reservoirstanzniet 12 / 27
3.4.3 Vollstanzniet 12
3.4.4 Fließlochformende Schrauben Betzer Pentradrill BN -35-15-113 M5
3.4.5 Blindniet GESIPA® PolyBulb
3.4.6 Schließringbolzen System DeltaBolt
3.5 Probekörper
4 Charakterisierung der Fügeteilwerkstoffe
4.1 Ermittlung des Faser-, Harz- und Porenvolumens
4.2 Ermittlung der Glasübergangstemperatur
4.3 Ermittlung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten ath
4.4 Ermittlung der interlaminaren Scherfestigkeit (ILS)
4.5 Ermittlung der Lochleibungsfestigkeit
4.6 Ermittlung der Druckfestigkeit in 3-Richtung
5 Methodenentwicklung
5.1 Darstellung des Ersatzversuchs
5.2 Konstruktion und Fertigung einer Messvorrichtung zur Ermittlung von Klemmkraft-Temperatur-Zeit-Verläufen
5.2.1 Entwurf des Hohlzylinders
5.2.2 Entwurf des Deckels
5.2.3 Entwurf der Druckplatte zur Übertragung der Klemmkraft
5.2.4 Entwurf der Scheiben zum Abbilden verschiedener Fügeverfahren
5.2.5 Zusammenbau der Messvorrichtung
5.3 Referenzmessungen zur Bestimmung des thermischen Verhaltens der Messvorrichtung
6 Problemanalyse
6.1 Randbedingungen und Ergebnisermittlung
6.2 Ergebnisse aus der Problemanalyse
6.2.1 Variation der metallischen Fügepartner und Fügeverfahren
6.2.2 Variation der fügebedingten Initialschädigung und der Klemmkraft
6.2.3 Variation des Lochspiels beim Schließringbolzensetzen
6.2.4 Variation der Temperatur
7 Ermittlung thermisch bedingter Schädigungen für verschiedene Fügetechniken
7.1 Vorlochbehaftete Fügeverfahren
7.2 Vorlochfreie Fügeverfahren
8 Entwicklung von Abstellmaßnahmen
8.1 Unterlegscheiben mit geringer Steifigkeit
8.2 Polyamid Unterkopfbeschichtung
8.3 Epoxidharzmatrix mit erhöhter Glasübergangstemperatur
8.4 Verwendung von verlierenden Niederhaltern
8.5 Verwendung eines Vollstanznietes mit Toleranzbereich
8.6 Vergleich der Abstellmaßnahmen beim Stanznieten
9 Kombinierte ?a-Effekte in Platten- und Dickenrichtung
9.1 Zweipunktproben
9.2 Verformungsmessungen anhand von Mehrelementproben
10 Festigkeitsnachweis
10.1 Drucklochkerbfestigkeit
10.2 Kopfzugtragfähigkeit unter quasistatischer Belastung
10.3 Scherzugtragfähigkeit unter quasistatischer Belastung
10.4 Scherzugtragfähigkeit unter zyklischer Belastung
11 Ergebnisse und Ausblick
11.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für kleine und mittelständische Unternehmen
12 Literatur
13 Normen und Richtlinien