Stöbern Sie in der
Publikationsliste »

0 Dokumente
auf der Merkliste »

EFB-Forschungsbericht Nr. 102

Fügen von Feinblechen mittels Durchsetzfügen-Kleben und Stanznieten-Kleben

efb102.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Voelkner, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden, Lehrstuhl für Urform- und Umformtechnik Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität-GH Paderborn

230 Seiten (Sw 124 Abb., 1 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-234-2

Preis (Digital) EUR 95,00

Preis (Print) EUR 107,00

Schlagwort: Fügetechnik, Fertigungseinflüss

Zusammenfassung

Die beschleunigte Entwicklung neuer Werkstoffe, Konstruktionsprinzipien und Fertigungsverfahren in der Blechverarbeitung führt unmittelbar zu neuartigen und komplexen Anforderungen an die Fügetechnik. Hier gilt es in sinnvoller Ergänzung zu den konventionellen Fügeverfahren alternative Varianten bezüglich ihrer Verfahrensgrenzen, fertigungstechnischen Randbedingungen und verbindungstechnischen Eigenschaften zu analysieren.

Vor dem Hintergrund praxisverträglicher Prozeßabläufe werden insbesondere von der Kombination von Fügetechniken unterschiedlicher Schlußart Synergieeffekte erwartet.
Die sich seit Mitte der 80-er Jahre europaweit etablierenden Kalt-Fügetechniken des Fügens durch Umformen rücken wegen ihres breiten Einsatzspektrums und der verzugsarmen, kraft- und formschlüssigen Fügeelementausbildung auch für hochbelastete Bauteile in den Blickpunkt der Forschungstätigkeit als adäquates stoffschlüssiges Fügeverfahren präsentiert sich das Kleben auf Grundlage warmaushärtender Polymersysteme.

Hier besteht das Ziel mittels Durchsetzfügen und Stanznieten mit Halbhohlniet einerseits die Teilefixierung bis zur Aushärtung der Klebverbindung zu realisieren und andererseits kritische Schälzugbeanspruchungen und Kriecheffekte zu verhindern. Mit der flächigen Klebverbindung besteht die Möglichkeit, gegenüber den nur örtlich begrenzt tragenden Fügepunkten des Durchsetzfügens und Stanznietens, einen homogeneren Kraftfluß im Fügeflansch auf wesentlich höherem Beanspruchungsniveau umzusetzen.

Unter funktionalen Gesichtspunkten sind mit der Versiegelung von Flanschbereichen durch Klebschichten die Effekte Abdichtung und Korrosionsschutz verbunden. Mit der vorliegenden Arbeit wird ein Beitrag zur Qualifizierung und Differenzierung technologischer und verbindungstechnischer Parameter für das kombinierte Fügen aktueller Stahl- und Aluminiumfeinbleche geleistet.

Die Prozeßanalyse führte dabei zur Erkenntnis, daß mit Kleben kombinierte Durchsetzfüge- und Stanznietverbindungen mit den zur Verfügung stehenden Fügeeinrichtungen und Setzwerkzeugen nach Anpassung der Prozeßparameter erzeugt werden können.
Beim Durchsetzfügen ohne Schneidanteil und Stanznieten mit Halbhohlniet tritt kein flüssiger bzw. pastöser Klebstoff aus dem Fügeelement aus, es besteht somit keinerlei Gefahr von Werkzeugverschmutzung oder -Schädigung durch Klebstoff.

Das Vorhandensein von unausgehärtetem Klebstoff im Fügeflansch hat keine signifikant negativen Auswirkungen auf Fügeelementausbildung und Prozeßsicherheit. Eine differenzierte Betrachtung erfordert die Einschätzung des Tragverhaltens derFügepunkte bis zur Aushärtung des Klebstoffes.
Stanznietverbindungen weisen für alle untersuchten Verbindungsvarianten unveränderte oder bis zu 10 % höhere Werte für die quasistatische Scher- und Schälzugfestigkeit auf.
Durchsetzfügeverbindungen mit unausgehärtetem Klebstoff zeigen unter quasistatischer Lasteinleitung material- und verfahrensabhängig sowohl Zu- als auch Abnahmeeffekte der Scher- und Schälzugfestigkeit, jeweils in Größenordnungen von ca. 20- 30% gegenüber elementaren Durchsetzfügepunkten.

Die Analyse des prozeßbeschreibenden Fügekraft-Weg-Verlaufes für Durchsetzfügen und Stanznieten läßt unabhängig von der Viskosität des verwendeten Klebstoffes, keine eindeutig interpretierbaren Veränderungen erkennen, die Rückschlüsse auf das Vorhandensein von unausgehärteten Klebstoff im Fügeflansch erlauben.

Die beim Setzen der Fügepunkte auftretende Flächenpressung und elastischplastische Deformation in der Fügezone führt zur Verdrängung des Klebstoffes und zur Prozeß- und viskositätsabhängigen Reduzierung der Klebschichtdicke.
Die resultierende Schichtdicke des Klebstoffes ist jedoch größer als die Oberflächenrauheit der Fügeteilwerkstoffe, so daß es im gesamten Überlappbereich (ausgenommen der Lochkontur beim Stanznieten) zur Ausbildung einer Klebverbindung kommt.
Wesentlichen Einfluß auf die Schälzugfestigkeit kombiniert gefügter Verbindungen hat der Ausfüllungsgrad der Klebfuge entlang der Biegekanten der Fügeteile.
Im Sinne einer geringen Wertestreuung ist die definierte Ausfüllung der Klebfuge, gegebenenfalls durch Fugennachbehandlung anzustreben.

Gegenüber den elemenetaren Durchsetzfüge-und Stanznietverfahren werden durch Kombination mit Klebstoff Zuwächse unter quasistatischer Prüfung ermittelten Verbindungsfestigkeit erreicht.
Charakteristische Eigenschaft der kombinierten Durchsetzfüge - Stanzniet - Klebverbindungen ist das allmähliche Verbindungsversagen nach Anriß der Klebverbindung. Durchsetzfüge- und Stanznietelementre verrichten danach bis zur vollständiger Zerstörung des Bauteilzusammmenhaltes (durch Ausknöpfen oder Scheren des Tragquerschnittes) eine vergleichsweise große Brucharbeit bei ausgeprägter plastischer Deformation der verwendeten einschnittig überlappten Prüfkörper.
Bei dynamisch-schwingender Belastung kann der Festigkeitszuwachs, gemessen an den Prüfkräften entweder zur Erhöhung der Bauteillebensdauer oder zur Ertragbarkeit größerer Beanspruchungen genutzt werden. Hier werden insbesondere mit dem hochfesten Epoxidharzklebstoff Festigkeitssprünge realisiert.

Unter stoßartiger Beanspruchung besitzen mit Epoxidharzklebstoff kombiniert gefügte Verbindungen gegenüber elementaren Durchsetzfüge- und Stanznietverbindungen ein erheblich größeres Energieaufnahmevermögen.

Da Klebstoffe Alterungseffekten unterliegen, ist für die Verbindungsauslegung die zeitabhängige Abnahme der Klebfestigkeit zu berücksichtigen. Dies gilt insbesondere für die Anwendung der hochfesten Epoxidharzklebstoffe, deren Verhalten für die kombinierte Verbindung dominant ist.
Nach Klimawechsellagerung wurden folgende Festigkeitsveränderungen gemessen an den kombiniert gefügten Verbindungen registriert:
-    Polyurethanklebstoff : ca. - ( 1 0-15) %
-    Epoxidharzklebstoff : ca. - (25-30) %
Endgültige Aussagen zum Festigkeitsverhalten lassen sich wegen des nichtlinearen Abfalles der Festigkeit von Klebverbindungen jedoch nicht treffen.

Insgesamt gesehen stellt die Kombination von einstufigem Durchsetzfügen ohne Schneidanteil und Stanznieten mit Halbhohlniet mit warmaushärtenden Klebstoffen eine aus fertigungs- und verbindungstechnischer Sicht leistungsfähige und prozeßsichere Fügetechnologie dar. Hochbeanspruchbare Verbindungen mit günstigen funktionellen Eigenschaften können damit sowohl bei Stahl- als auch bei Aluminiumwerkstoffen erzeugt werden.

Bei Kombination mit hochfestem Epoxidharzklebstoff treten die unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften und das Energieaufnahmevermögen von Durchsetzfüge und Stanznietverbindung gegenüber dem dominanten Einfluß des Klebstoffes in den Hintergrund. ln diesem Fall kann bei annähernd gleichen Festigkeitseigenschaften der kombinierten Verbindung je nach Verfügbarkeit Durchsetzfügen oder Stanznieten angewendet werden, insofern die unterschiedlichen Eigenschaften bei der Bauteilfixierung (bis zur Aushärtung des Klebstoffes) berücksichtigt werden.

Damit werden den alternativen Fügetechniken des Fügens durch Umformen neue Anwendungsgebiete erschlossen, mit der sich die Marktfähigkeit der Systeme weiter verbessert.

Das Forschungsvorhaben „Fügen von Feinblechen mittels Durchsetzfügen-Kleben und Stanznieten-Kleben“ wurde unter der Fördernummer AiF 9927B von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 102 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Fügen durch Kleben
2.1.1 Verfahrenscharakteristik
2.1.2 Merkmale und Einsatz geklebter Verbindungen
2.1.3 Eigenschaften geklebter Feinblechverbindungen
2.2 Umformtechnische Fügeverfahren
2.2.1 Durchsetzfügen
2.2.1.1 Verfahrenscharakteristik
2.2.1.2 Merkmale und Einsatz durchsetzgefügter Verbindungen
2.2.1.3 Eigenschaften durchsetzgefügter Verbindungen
2.2.2 Stanznieten
2.2.2.1 Verfahrenscharakteristik
2.2.2.2 Merkmale und Einsatz stanzgenieteter Verbindungen
2.2.2.3 Eigenschaften stanzgenieteter Verbindungen
2.2.3 Kombinierte Fügeverfahren
2.2.4 Verfahrenscharakteristik
2.2.5 Merkmale und Einsatz kombinierter Verbindungen
2.2.6 Eigenschaften kombiniert gefügter Verbindungen
3 Ziel der Arbeit
4 Versuchswerkstoffe und Fügeeinrichtungen
4.1 Fügeteilwerkstoffe
4.2 Klebstoffe
4.2.1 Untersuchungen an Klebstoffsubstanzproben
4.2.1.1 Rheologische Untersuchungen
4.1.1.2 Dynamische Differenzkalorimetrie
4.1.1.3 Torsionsschwingversuch
4.1.2 Untersuchungen zur Klebstoffkennwertermittlung an ausgehärteten Klebverbindung mittels des Zugscherversuches
4.3 Durchsetzfügen: Eingesetzte Verfahren und Versuchseinrichtung
4.4 Stanznieten mit Halbhohlniet Verfahren und Versuchseinrichtung
5 Einrichtungen und Methoden zur Prüfung und Charakterisierung von Verbindungen
5.1 Metallographische Präparation
5.2 Prüfung unter quasistatischer Belastung
5.3 Prüfung unter schwingender Belastung
5.4 Prüfung unter schlagartiger Belastung
5.4.1 Versuchseinrichtung
5.4.2 Bestimmung der Auswertegrößen
5.5 Klimalagerung
6 Prozeßanalyse kombiniertes Fügen
6.1 Probenfertigung und -abmaße
6.2 Verfahrenswechselwirkungen bei Kombination Kleben - Fügen durch Umformen
6.2.1 Verfahrenskombination Kleben-Durchsetzfügen
6.1.2 Verfahrenskombination Kleben-Stanznieten
7 Festigkeitsuntersuchungen
7.1 Quasistatische Verbindungsfestigkeit
7.1.1 Durchsetzfügen-Kleben
7.1.2 Stanznieten - Kleben
7.2 Dynamische Verbindungsfestigkeit
7.2.1 Schwingfestigkeitsverhalten elementarer und kombinierter Durchsetzfüge und Klebverbindungen
7.2.2 Schwingfestigkeitsverhalten elementarer und kombinierter Stanzniet- und Klebverbindungen
7.3 Energieaufnahmevermögen
7.3.1 Durchsetzfügen-Kleben
7.3.2 Stanznieten-Kleben
8 Zusammenfassung
9 Literaturverzeichnis