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EFB-Forschungsbericht Nr. 529

Umformthermofügen von Metall & FKV mit isothermen Werkzeugen

efb529

Verfasser:
Dipl.-Ing. Moritz Micke-Camuz, Dr.-Ing. Sven Hübner, Max Gabriel, Timothey Kauer, Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover - Dipl.-Wirtsch.-Ing. Kristian Lippky, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger, Institut für Füge- und Schweißtechnik der Technischen Universität Braunschweig

118 Seiten (sw, 80 teils farbige Abb., 1 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-584-8

Preis (Digital) EUR 60,84

Preis (Print) EUR 76,54

Zusammenfassung

Der vorliegende Projektbericht beschreibt die Entwicklung eines kombinierten Prozesses zum gemeinsamen Umformen und wärmeunterstützten Pressfügen von hochfesten Stählen und endlosfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen in Form von sogenannten Organoblechen. Um Zykluszeiten unter 30 s zu erreichen, bleibt die Temperatur des Formwerkzeugs während des gesamten Prozesses konstant bei Temperaturen von 80 – 110 °C.

Somit kann die Entnahme des Bauteils unmittelbar nach dem Umformprozess ohne Abkühlung des Umformwerkzeugs erfolgen. Die thermische Energie, die benötigt wird, um den thermischen Fügeprozess bei 280 °C zum Ende des Umformvorgangs zu gewährleisten, wird durch das Erwärmen des Stahls in einem Ofen vor der Übergabe an das Umformwerkzeug aufgebracht.

Durch die Wahl bestimmter beschichtungsabhängiger Wärmebehandlungsparameter während des Erwärmungsschrittes können raue, haftfähige Oberflächen erzeugt werden, um die Festigkeit der Verbindung zu erhöhen. Alternativ wird auf bereits vom Stahlhersteller erzeugte Galvannealed-Belche zurückgegriffen wodurch auf die integrierte Oberflächenwärmebehandlung verzichtet werden kann.

Im Anschluss an die Beschreibung des relevanten Stands der Technik, der Problemstellung und der Zielsetzung werden die Oberflächenwärmebehandlung samt Oberflächenanalyse mittels Rauheitsmessungen, Schliffbildern und Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen beschrieben.

Darüber hinaus werden Zugversuchsergebnisse zur Charakterisierung des thermischen Einflusses der Oberflächenwärmebehandlung auf die mechanischen Eigenschaften der erwärmten hochfesten Stähle gezeigt.

Zur Auslegung des wärmeunterstützen Pressfügeprozesses und zur Potentialabschätzung unter idealen Versuchsbedingungen, werden Zugscherproben mit einem Laborversuchsstand hergestellt und zusätzlich Fügeproben im Wärmeleitungsfügeverfahren gefertigt.

Nach der Erzeugung einer Referenz wurde die angestrebte Prozesskette aufgebaut, in Betrieb genommen und ein Prozessfenster zum Fügen anhand der Umformthermofügeprozesskette erarbeitet sowie Untersuchungen an den erzeugten Fügeverbindungen durchgeführt.

Zur Übertragung der erzielten Erkenntnisse auf einen kombinierten Umformfüge-Prozess wurde ein Werkzeugkonzept mit abgestuftem Blechhaltebereich konstruiert und gebaut, um einerseits das Ausstrecken des Metalls und andererseits das Drapieren des Organoblechs zu ermöglichen. Mit Hilfe dieses Werkzeugsystems wurde die kombinierte Umformung von Stählen und faserverstärkten Kunststoffen untersucht. Die hergestellten S-Rail Bauteile wurden hinsichtlich ihrer Maßhaltigkeit, der mechanischen Performance und der Haftung zwischen den Fügepartnern geprüft. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Umformthermofügen von Metall & FKV mit isothermen Werkzeugen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19560N 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. 529 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

This report describes the development of a combined forming and fusion bonding process for high-strength steels and continuous fiber-reinforced thermoplastics also known as organo sheets. To achieve cycle times of less than 30 s, the temperature of the mold remains constant at 80 – 110 °C throughout the entire process.

This means that the part can be removed immediately after the forming process without cooling the forming tool. The thermal energy required to ensure the thermal joining process at 280 °C at the end of the forming process is applied by heating the steel part in a furnace prior to transfer to the forming tool.

By selecting certain temperatures during this heating step a heat dependent treatment (also known as galvannealing) is achieved which produces rough surfaces on the steel blanks. This surface change increases the strength of the joint. Alternatively, already galvannealed blanks provided by a steel manufacturer are used which allows the dismissal of the integrated surface heat treatment.

Following the description of the relevant state of the art and the objective, the heat treatment of the surfaces including surface analysis is described by means of roughness measurements, micrographs and scanning electron microscope images.

In addition, tensile test results for characterizing the thermal influence of surface heat treatment on the mechanical properties of the heated high-strength steels are shown. In order to design the heat-assisted fusion bonding process and to estimate the potential under ideal test conditions, tensile shear specimens were produced on a laboratory test rig and additionally joint specimens were produced using a heat conduction joining process.

After conducting a reference, the desired process chain was set up, put into operation and a process window for joining was developed on the basis of the forming fusion bonding process chain.

In order to transfer the knowledge gained to a combined forming and joining process, a tool concept with a graded sheet holding area was designed and built to enable the metal to be stretched on the one hand and the organo sheet to be draped on the other. With the aid of this tool system, the combined forming of steels and fiber-reinforced plastics was investigated. The manufactured S-Rail components were tested for their dimensional accuracy, mechanical performance and adhesion between the joining partners. The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungs- und Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 FVK-Metall Hybride
2.1.1 Halbzeuge
2.1.2 Anwendungsbeispiele von hybriden Bauteilen
2.2 Umformtechnische Herstellung von FVK-Metall Hybridbauteilen
2.3 Wärmeunterstütztes Pressfügen
2.3.1 Wärmeunterstütztes Pressfügen mittels Induktion
2.3.2 Thermisches Direktfügen durch Laserstrahlung
2.4 Wärmebehandlung metallischer Fügeteile zur Erzeugung rauer Oberflächen (Galvannealed-Schichten)
2.5 Fazit
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
3.1 Forschungsziele
3.2 Vorgehensweise
4 Durchgeführte Arbeiten
4.1 Verwendete Werkstoffe
4.1.1 Stahlwerkstoffe
4.1.2 Faserverstärkte Kunststoffe
4.2 Wärmebehandlung zur Erzeugung rauer haftfähiger Oberflächen
4.2.1 Nicht industrieller Prozess zur Wärmebehandlung von Metallen
4.3 Oberflächenanalyse der wärmebehandelten Metalle
4.3.1 Rauheitsmessungen
4.3.2 Querschliffe der wärmebehandelten Stähle
4.3.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) der wärmebehandelten Oberflächen
4.3.4 Thermische Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften
4.4 Festigkeitsuntersuchungen zur Potentialabschätzung
4.4.1 Probengeometrie Zugscherversuch
4.4.2 Referenzuntersuchungen (variotherm)
4.4.3 Laborversuchsstand zur Probenherstellung im Umformthermofügeverfahren
4.5 Aufbau der Prozesskette
4.6 Festigkeitsuntersuchungen anhand der Umformthermofügen Prozesskette
4.6.1 Herstellung von Plattenproben zur Bewertung der erzielbaren Verbundfestigkeit
4.6.2 Versuchsplanung
4.6.3 Zugscherfestigkeiten der im Umformthermofüge-Prozess hergestellten Plattenproben
4.7 Alterungsuntersuchungen an Labor- und Plattenproben
4.8 Konstruktion und Aufbau eines Demonstratorwerkzeugs
4.8.1 Tasche für das Organoblech
4.8.2 Kontaktverzögerung zwischen Halbzeug und Werkzeug
4.8.3 Temperierung des Werkzeugs
4.9 Kombinierter Umformprozess „Umformthermofügen"
4.9.1 Reibung zwischen der Stahlkomponente und Werkzeug
4.9.2 Interaktion zwischen Stahlblech und Tasche in der Matrize
4.9.3 Fügen der Verbundpartner am Ende der Umformung
4.10 Bauteilprüfung
4.10.1 Maßhaltigkeit
4.10.2 Biegeprüfung an Kleinprobekörpern
4.10.3 Biegeuntersuchungen am Demonstratorbauteil
5 Ergebnisse
5.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
6 Literaturverzeichnis