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EFB-Forschungsbericht Nr. 524

Entwicklung eines Clinchverfahrens für thermoplastische FKV in Mischbauweise

efb524

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Julian Vorderbrüggen, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn - Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude, Dr.-Ing. Robert Kupfer, Dipl.-Ing. Benjamin Gröger, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik, Technische Universität Dresden

162 Seiten (sw, 118 teils farbige Abb., 35 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-578-7

Preis (Digital) EUR 79,00

Preis (Print) EUR 99,00

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein neuartiges Clinchverfahren zum einstufigen, hilfsfügeteilfreien Fügen von Metall-FKV-Bauteilen entwickelt. Dazu wurden zunächst bisher am Markt verfügbare Clinchverfahren sowie ein neuartiges Konzept hinsichtlich der Fügepunktausbildung und Kopfzugtragfähigkeit miteinander verglichen. Das neuartige Konzept basiert auf einer zweigeteilten Matrize, bestehend aus starrer Außenhülse und einem darin federnd gelagerten Matrizenamboss. Aufbauend auf diesem Vergleich wurde eine Parameterstudie zur Identifikation vorteilhafter Werkzeugeinstellungen sowie eine experimentelle Entwicklung eines geeigneten Werkzeugsatzes und eines Erwärmungskonzeptes zur prozessbegleitenden, lokalen Erwärmung des FKV durchgeführt.

Um gezielt einzelne Einflussfaktoren auf das Fügeergebnis isoliert zu untersuchen, wurden die beiden Entwicklungsziele getrennt voneinander betrachtet.

Es konnten Werkzeugparameter, welche das Fügeergebnis sensitiv beeinflussen sowie unter enger Zusammenarbeit der beiden Forschungsstellen eine geeignete Erwärmungsmethode zur Steigerung der Duktilität des FKV in der Fügezone identifiziert werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden für die sensitiven Werkzeugparameter entsprechende Parameterräume abgesteckt.

Hierdurch wurde das Fügen von mehreren Materialkombinationen unterschiedlicher Festigkeit mit einem Werkzeugsatz möglich. Ferner konnte das Erwärmungskonzept derart weiterentwickelt und integriert werden, dass eine reproduzierbare, prozessbegleitende Erwärmung des FKV ermöglicht wurde. Durch die parallel durchgeführten Struktur- und Schädigungsanalysen mittels CT-Untersuchungen und lichtmikroskopischen Aufnahmen konnten einzelne Effekte der Verbindungsausbildung analysiert und das Werkstoffverhalten während des Fügeprozesses umfassend beschrieben werden.

Die Ermittlung der Verbindungseigenschaften des neuartigen Fügeverfahrens erfolgte abschließend umfassend durch Zugprüfungen unter quasistatischer, zyklischer und statischer Belastung. Im Hinblick auf die simulative Prozessgestaltung wurde eine Simulationsmethodik entwickelt, die zum einen eine schnelle Vorauslegung ermöglicht und zum anderen detailliert die resultierende Werkstoffstruktur um den Fügepunkt wiedergeben kann. Dabei hat sich herausgestellt, dass die verwendeten, erweiterten Simulationsmethoden von gekoppelten Euler-Lagrange-Ansätzen nicht ausreichend sind, um den Prozess ganzheitlich zu betrachten.

Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die auftretenden Prozessphänomene mit dem Stand der Forschung und Technik nicht ausreichend und tiefgreifend genug beschrieben werden können. Motiviert durch dieses Projekt wurde der Forschungsbedarf als Inhalt zukünftiger Grundlagenforschungsprojekte adressiert.

Das IGF-Vorhaben „Entwicklung eines Clinchverfahrens für thermoplastische FKV in Mischbauweise" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19599BG 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. 524 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Within the scope of this research project, a novel clinching process for the single-stage joining of metal-FRP-joints without auxiliary joining elements was developed. First of all, clinching processes available on the market to date and a new process-concept were compared with each other with regard to joint formation and tensile strength. The new concept is based on a two-part die consisting of a rigid outer sleeve and a spring-loaded anvil. Based on this comparison, a parameter study was conducted to identify optimum tool settings.

Furthermore, an experimental development of a suitable tool set and a heating concept for local heating of the FRP during the process was conducted. In order to investigate individual factors influencing the joining result in an isolated manner, the two development goals were considered separately. It was possible to identify tool parameters which have a sensitive influence on the joining result as well as a suitable heating method for increasing the ductility of the FRP in the joining zone in close cooperation between the two institutes. Based on these results, appropriate parameter-areas were defined for the sensitive tool parameters.

These allow several material combinations of different strength to be joined reliably with one tool set. Furthermore, the heating concept could be further developed and integrated in such a way that a reproducible, process-accompanying heating of the FRP was achieved. Parallel structural and damage analyses were carried out by means of CT examinations and light microscopic images. This allowed individual effects of the joint formation to be analyzed and the material behavior during the joining process to be comprehensively described.

The determination of the load bearing capacity of the novel joining process was carried out comprehensively using tensile tests under quasistatic, cyclic and static loading. With regard to the simulative process design, a simulation methodology was developed which, on the one hand, enables a quick preliminary design and, on the other hand, can reproduce in detail the resulting material structure around the joint. It was found that the extended simulation methods of coupled Euler-Lagrange approaches used are not sufficient to take a holistic view of the process.

Furthermore, it could be shown that the process phenomena occurring cannot be described sufficiently and profoundly enough with the state of the art in research and technology. Motivated by this project, the need for research was addressed as content of future basic research projects.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Faser-Kunststoff-Verbunde
2.2 Mechanisches Fügen - Clinchen
2.2.1 Einstufiges Clinchen ohne Schneidanteil mit starrer Matrize
2.2.2 Clinchen mit Vorloch und Zentrieramboss
2.3 Hilfsfügeteilfreies, thermisch unterstütztes Fügen von Faser-Kunststoff-Verbunden
2.3.1 Thermoclinchen
2.3.2 Thermomechanisches Ausformfügen
2.3.3 Clinchen und Schmelzkleben mittels torsionalem Ultraschall
2.3.4 Hotclinchen mit Gegendruckmatrize
3 Versuchsrandbedingungen
3.1 Versuchswerkstoffe
3.2 Versuchsanlagen
3.2.1 Zwick 100 (LWF)
3.2.2 Zugprüfmaschine Z100 (ILK)
3.2.3 Zugprüfmaschine Z1450 (ILK)
3.2.4 Instron 8801 (LWF)
3.2.5 Computertomograf phoenix v|tome|x L 450 (ILK)
3.2.6 Mikroskop Axio Tech 100 HD (ILK)
3.2.7 Kriechprüfstand (LWF)
3.2.8 Klimakammer (LWF)
3.2.9 TOX® Clinchanlage MC 4,8 (LWF)
3.2.10 ECKOLD Clinchanlage DFG 500/150 (LWF)
3.2.11 Fräsportal (LWF)
3.3 Clinchwerkzeuge
3.4 Probengeometrien
4 Referenzverfahren (LWF)
4.1 Clinchen mit Vorloch und Zentrieramboss bei Raumtemperatur
4.2 Clinchen ohne Vorloch mit starrer Matrize bei Raumtemperatur
4.3 Clinchen ohne Vorloch mit starrer Matrize und thermischer Unterstützung
4.4 Clinchen ohne Vorloch mit Gegendruckmatrize und thermischer Unterstützung
4.5 Übertragbarkeit der Bemusterungsergebnisse auf CF PA 66
5 Werkstoffcharakterisierung (ILK)
5.1 Charakterisierung des UD-Materials
5.2 Charakterisierung der BD-Materials
5.3 Untersuchungen des Gewebes und Materialbeschreibung
6 Werkzeugentwicklung (LWF/ILK)
6.1 Experimentelle Untersuchungen geeigneter Erwärmungsmethoden (ILK)
6.2 Experimentelle Analyse prozessrelevanter Einfluss-parameter und Anpassung der Fügewerkzeuge (LWF)
7 Prozessaufbau „Hotclinch" (LWF)
7.1 Parameterstudie Infraroterwärmung
7.2 Absicherung der Werkzeugeinstellungen für unterschiedliche Materialkombinationen
7.2.1 Stempel-Amboss-Kombinationen
7.2.2 Variation der Hülsenradien
7.2.3 Bodendicken
8 Simulative Prozessgestaltung (ILK)
8.1 Numerische Voruntersuchungen
8.2 Entwicklung einer Simulationsmethodik
9 Verbindungseigenschaften (LWF)
9.1 Verbindungseigenschaften unter quasistatischer Lasteinleitung
9.2 Verbindungseigenschaften unter zyklischer Lasteinleitung
9.3 Verbindungseigenschaften unter statischer Lasteinleitung
10 Struktur- und Schädigungsanalyse (ILK)
11 Ergebnisse und Ausblick
12 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für kleine und mittelständische Unternehmen
13 Literatur
13.1 Normen und Richtlinien
13.2 Patente