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EFB-Forschungsbericht Nr. 546

Anforderungsprofil für Blindnietverbindungen mit CFK

efb-546

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Prof. Dr.-Ing. Normen Fuchs, M.Sc. Robert Staschko, M.Sc. Felix Holleitner, Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik Rostock - Prof. Dr.-Ing. habil. Markus Kästner, Dr.-Ing. Dietmar Süße, Professur für Numerische und Experimentelle Festkörpermechanik am Institut für Festkörpermechanik, Technische Universität Dresden

126 Seiten (sw, 54 teils farbige Abb., 18 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-603-6

Preis (Digital) EUR 68,00

Preis (Print) EUR 85,00

Zusammenfassung

Innovative Leichtbaukonzepte im Sinne des Multimaterial-Designs sind an viele Herausforderungen hinsichtlich der Verarbeitung von Leichtbauwerkstoffen, insbesondere von Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (FKV) wie z. B. Carbonfaser verstärkter Kunststoff (CFK), geknüpft. Die Fügetechnik nimmt hierbei eine Schlüsselrolle ein, wobei effiziente Fügeverfahren die werkstoffgerechte Integration der gewichts- und festigkeitsoptimierten Werkstoffe in eine metallische Trägerstruktur sicherstellen müssen.

Blindniete eignen sich im besonderen Maße zum Fügen verschiedenartiger Werkstoffe (Mischverbindungen). Im Gegensatz zu manchen anderen Fügeverfahren setzen sie kein Verformungsvermögen der Bauteile voraus und erfordern nur eine einseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle. Insbesondere hülsenfaltende Blindnietsysteme sollen eine qualitätsgerechte Verarbeitung der Verbundwerkstoffe gewährleisten, weshalb diese auch im Fokus des Forschungsvorhabens stehen.

Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten konnten anhand unterschiedlicher Fügekombinationen, bestehend aus CFK- und Aluminiumfügeteilen, wesentliche Unterschiede in der Fügepunktausbildung festgestellt werden. Abhängig von der jeweiligen Fügekonfiguration, wie etwa des Vorlochdurchmessers oder der Gesamtdicke der Fügestelle, wurden im Rahmen der Schliffbildanalyse eine Vielzahl setzprozessinduzierter Effekte identifiziert.

Hierbei handelte es sich um Schädigungen in der Verbundstruktur des CFK als auch um Defekte am Fügeelement selbst. Große Vorlöcher, wie sie bei zusammengesetzten Strukturen zum Ausgleich von Bauteiltoleranzen üblich sind, begünstigen infolge der fehlenden Stützwirkung die Aufbiegung des CFK. Größere Fügeteildicken und die damit hohe Ausnutzung des nietspezifischen Klemmbereichs führen zu charakteristischen Veränderungen in der geometrischen Gestalt des ausgebildeten Blindniet-Schließkopfs. In der Folge ist die Beanspruchung des Verbundwerkstoffs lokal erhöht.

In geeigneten experimentellen Untersuchungen zur separaten Analyse der Nachgiebigkeits- und Lochleibungseigenschaften des CFK konnte den setzprozessinduzierten Effekten eine signifikante Reduktion der Festigkeitseigenschaften des Verbundwerkstoffs nachgewiesen werden. Auch in den anschließend durchgeführten Tragfähigkeitsprüfungen ausgewählter Fügekonfigurationen waren deutliche Unterschiede in den Verbindungseigenschaften festzustellen.

Der Einsatz der hülsenfaltenden Blindniete, speziell zum Fügen von Verbundwerkstoffen, sollte stets hinsichtlich der zu fügenden Gesamtblechdicke geprüft werden.

Hierbei gilt es darauf zu achten, dass der Blindniet gemäß des nietspezifischen Klemmbereichs eingesetzt wird und die Umformung des Nietelements innerhalb dieser zulässigen Einsatzgrenzen ohne Behinderung ablaufen kann. Nur so können die Fügeimperfektionen wirkungsvoll reduziert und qualitativ hochwertige Nietverbindungen von Verbundmaterialien erzielt werden.

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Anforderungsprofil für Blindnietverbindungen mit CFK" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19561BR 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. 546 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Innovative lightweight construction concepts are linked to many challenges with regard to the processing of lightweight materials such as CFRP. Joining technology plays a key role in this context, as efficient joining processes must ensure that the weight- and strength-optimized materials are integrated into a metallic carrier structure in a manner appropriate to the material. Blind rivets are particularly suitable for joining different materials.

In contrast to other joining processes, they do not require any deformation capacity of the components and only require one-sided access to the joining point. In particular, sleeve-folding blind rivet systems are intended to ensure high-quality processing of the composite materials, which is why they are also the focus of the research project.

Significant differences in the formation of the joining point could be determined on the basis of different joining combinations consisting of CFRP and aluminum joining parts. Depending on the joining configuration, e.g. the diameter of the pilot hole or the total thickness of the joint, a large number of setting-process induced effects were identified in the micrograph analysis. These were damages in the composite structure of the CFRP as well as defects on the joining element itself.

Large pre-holes, which are common in composite structures to compensate tolerances, favour the bending up of the CFRP due to the lack of supporting effect. Larger joining part thicknesses and the resulting high utilization of the rivet-specific clamping area lead to characteristic changes in the geometric shape of the formed blind rivet closing head.As a result, the stress on the composite material is locally increased.

In suitable experimental investigations for the separate analysis of the mechanical compliance and hole bearing properties of the CFRP, a significant reduction of the strength properties of the composite material could be demonstrated for the setting-process induced effects. In the subsequently performed load-bearing capacity tests of selected joining configurations, significant differences in the joining properties were also found.

The use of sleeve-folding blind rivets, especially for joining composite materials, should always be checked with regard to the total sheet thickness to be joined. It is important to make sure that the blind rivet is inserted according to the rivet-specific clamping range and that the forming of the rivet element can be carried out without hindrance. This is the only way to effectively reduce the joining imperfections and achieve high-quality rivet joints of composite material.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziel des Forschungsvorhabens
2 Stand der Technik
2.1 Mechanisches Fügen von FKV (IGP)
2.1.1 Blindniet-Spezialentwicklungen
2.1.2 Eigenschaften mechanisch gefügter FKV-Metall-Verbindungen
2.1.3 Fazit zum mechanischen Fügen von FKV
2.2 Numerische Simulation von Fügeprozessen in FKV und Metall (TUD)
3 Vorgehensweise
4 Analyse der Verbindungsausbildung
4.1 Blindnietspezifikationen und Fügeteilkonfigurationen (IGP)
4.2 Schliffbildauswertung (IGP)
4.2.1 Vorgehensweise
4.2.2 Ergebnisse
4.3 FE-Prozesssimulation (TUD)
4.3.1 Modellierung des Blindniets
4.3.2 Modellierung des FKV
4.3.3 Ergebnisse / Einflussanalyse
4.4 Ergebnisüberblick und -bewertung
5 Auswirkungen setzprozessinduzierter Effekte
5.1 Klemmkraftprüfung
5.1.1 Experimentelle Versuchsergebnisse (IGP)
5.1.2 Ergebnisse aus der FE-Simulation der Klemmkraftprüfung (TUD)
5.2 Nachgiebigkeitsprüfung (IGP)
5.3 Lochleibungsprüfung (IGP)
5.4 Ergebnisüberblick und -bewertung
6 Experimentelle Untersuchung des Tragverhaltens
6.1 Versuchsübersicht
6.2 Kopfzugtragfähigkeit (IGP)
6.3 Scherzugtragfähigkeit (IGP)
6.4 Ergebnisüberblick und -bewertung
7 Anforderungsprofil für Blindniet-Verbindungen mit FKV (TUD)
8 Projektergebnisse und Ausblick
8.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
9 Literatur
10 Anhang (TUD)
10.1 Werkstoffe und Fließkurven
10.2 Blindnietvergleich
10.3 Versuchsplan und Simulationsrechnungen