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EFB-Forschungsbericht Nr. 550

Wirtschaftliche Fertigung belastungsgerechter FVK/Metall-Verbunde

efb-550

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M. Sc. Jörn Wehmeyer, M.Sc. Florian Bohne, M.Eng. Ralf Lorenz, Dr.-Ing. Sven Hübner, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Annika Raatz, M. Sc. Christoph Schumann, Institut für Montagetechnik, Leibniz Universität Hannover

132 Seiten (sw, 83 teils farbige Abb., 23 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-607-4

Preis (Digital) EUR 62,00

Preis (Print) EUR 77,00

Zusammenfassung

Der vorliegende Schlussbericht zum IGF-Forschungsprojekt „Wirtschaftliche Fertigung belastungsgerechter FVK/Metall-Verbunde" beschreibt die Entwicklung einer Fertigungszelle zum gemeinsamen Umformen und wärmeunterstützten Pressfügen von Stählen und Endlosfaser verstärkten thermoplastischen Kunststoffen in Form von sogenannten unidirektionalen Carbon-Faser-Tapes.

Um Taktzeiten von 65 Sekunden zu erreichen, wird auf eine automatisierte Handhabung der Halbzeuge mittels zweier Roboter und ein isothermes, zweigeteiltes Werkzeugkonzept zurückgegriffen.

Der erste Roboter stapelt die einzelnen Komponenten zu einem Halbzeugstapel und fügt diese thermisch punktuell, sodass diese gegen ein Verrutschen gesichert sind. Anschließend wird der Halbzeugstapel vom zweiten Roboter in das Erwärmungswerkzeug gelegt, welches permanent auf 275 °C beheizt wird, und die Umformpresse wird geschlossen.

Parallel dazu stapelt der erste Roboter wieder einen neuen Halbzeugstapel. Nach 32 Sekunden wird die Presse wieder geöffnet und der zweite Roboter transferiert den erwärmten Verbund vom Erwärmungswerkzeug in die Umformstufe, welche permanent auf 100 – 140 °C beheizt wird und legt einen neuen Halbzeugstapel in das Erwärmungswerkzeug.

Hierdurch sind bei jedem Pressenhub sowohl das Erwärmungswerkzeug als auch das Umformwerkzeug belegt. Die Temperatur des Umformwerkzeuges ist so gewählt, dass die Umformung vollzogen werden kann bevor der Kunststoff erstarrt und das Verbundbauteil unmittelbar nach dem Umformprozess ohne Abkühlung des Umformwerkzeugs durch den zweiten Roboter entnommen werden kann.
Die Energie, die benötigt wird, um den thermischen Fügeprozess bei 275 °C zu gewährleisten, wird durch Heizspiralen im Erwärmungswerkzeug und im Umformwerkzeug aufgebracht.

Im Anschluss an die Beschreibung des relevanten Stands der Technik, der Problemstellung und der Zielsetzung wird die Bauteildefinition erläutert und auf die Konstruktion und die Konzeptionierung der Greifer der Handhabungsroboter eingegangen. Danach wird die numerische Auslegung und Konzeptionierung des isothermen Umfomwerkzeugsystems erläutert.

Anschließend wird die angestrebte Prozesskette aufgebaut, in Betrieb genommen und ein Prozessfenster zum Fügen anhand der Prozesskette erarbeitet, sowie Untersuchungen an den erzeugten Fügeverbindungen und der Halbzeugzuschnitte durchgeführt.

Die hergestellten Verbundbauteile wurden hinsichtlich ihrer Maßhaltigkeit, der mechanischen Performance und der Haftung zwischen den Fügepartnern geprüft und die Machbarkeit der Fertigung wurde nachgewiesen. Alle Verbundbauteile wiesen eine höhere spezifische Belastbarkeit als ein reines Stahlbauteil auf. Es wurden Taktzeiten von weit unter 120 Sekunden erreicht.
Das Ziel des Vorhabens wurde demnach erreicht.

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Wirtschaftliche Fertigung belastungsgerechter FVK/Metall-Verbunde" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19603N 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. 550 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The present final report on the IGF research project "Economic production of load-suitable FRP/metal composites" describes the development of a production cell for the joint forming and heat-assisted press joining of steels and continuous fiber reinforced thermoplastics in the form of so-called unidirectional carbon fiber tapes.

In order to achieve cycle times of less than 65 seconds, automated handling of the semi-finished products by means of two robots and an isothermal, two-part tooling concept is used.

The first robot stacks the individual components of the laminate parts and joins them thermally at points so that they are secured against slipping. The laminate is then placed by the second robot in the heating tool, which is permanently heated to 275 °C, and the forming press is closed.

At the same time, the first robot again stacks a new laminate composite. After 30 seconds the press is opened again and the second robot transfers the heated composite from the heating tool to the forming stage, which is permanently heated to 100 - 140 °C, and places a new composite in the heating tool.

As a result, both the heating tool and the forming tool are occupied during each press stroke. The temperature of the forming tool is selected so that the forming process can be completed before the plastic solidifies and the component can be removed by the second robot immediately after the forming process without cooling the forming tool.

The energy required to ensure the thermal joining process at 275 °C is applied by heating spirals in the heating tool and in the forming tool.
Following the description of the relevant state of the art, the problem definition and the ob-jective, the component definition is explained and the construction and the conception of the grippers of the handling robots are discussed. Then the numerical design and conception of the isothermal forming tool system is explained.

Afterwards, the intended process chain was set up and put into operation and a process window for joining was worked out based on the process chain. Furthermore, investigations were carried out on the generated joining joints and the semi-finished product blanks.

The manufactured laminate components were tested with regard to their dimensional accu-racy, mechanical performance and the adhesion between the joining partners and the feasi-bility was proven. All laminate components showed a higher specific load capacity than a pure steel component. Cycle times of well below 120 seconds were achieved. The goal of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Halbzeuge
2.1.1 Faserverstärkte Kunststoffe (FVK)
2.1.2 Kunststoffe
2.1.3 Stahlwerkstoffe
2.2 FVK-Metall-Verbundbauteile
2.2.1 Anwendungsbeispiele von hybriden Bauteilen
2.2.2 Prozessketten zur Verarbeitung faserverstärkter Thermoplaste
2.2.3 Lokale Verstärkung
2.3 Handhabung und Steuerungstechnik
2.4 Umformsimulation von FVK-Metall-Hybriden
2.5 Fazit des Standes der Technik
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
3.1 Forschungsziele
3.2 Vorgehensweise
4 Durchgeführte Arbeiten
4.1 Musterbauteildefinition
4.2 Numerische Auslegung der Umformstufe
4.2.1 Numerische Analyse der Variante 1 (homogen)
4.2.2 Numerische Analyse der Variante 2 (inhomogen)
4.2.3 Weiterführende numerische Untersuchungen
4.3 Konzeptionierung des Werkzeuges
4.3.1 Rahmenbedingungen zur Konzeptionierung
4.3.2 Werkzeuganforderungen
4.3.3 Konstruktion Musterbauteil
4.3.4 Konzepte der Baugruppen
4.3.5 Konzeptauswahl
4.4 Konstruktion und Aufbau des Demonstratorwerkzeugs
4.4.1 Grundplatte
4.4.2 Wärmedämmplatte
4.4.3 Matrizeneinheit
4.4.4 Stempeleinheit
4.4.5 Umformflächen
4.4.6 Tauchkanten
4.4.7 Prüfung des Entwurfs hinsichtlich Fertigung und Montage der Baugruppe
4.5 Konstruktion von Greifern zum Stapeln und Beschicken
4.5.1 Ziel und Einleitung
4.5.2 Erzeugung der Halbzeugstapel
4.5.3 Greifer für den Transfer (Beschicken)
4.6 Integration und Programmierung der Robotersteuerungen
4.7 Inbetriebnahme
4.8 Optimierung der Fertigungsparameter
4.9 Bauteilprüfung
4.9.1 Exemplarische Überprüfung der Bauteilmaßhaltigkeit (GOM)
4.9.2 Plättchenbiegeveruche
4.9.3 3-Punkt-Biegeversuche
4.9.4 Schliffbilder
5 Ergebnisse
5.1 Wissenschaftlich-technischer Nutzen und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
6 Literaturverzeichnis
7 Anhang
7.1 Aufstellung der hergestellten Versuchsbauteile