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EFB-Forschungsbericht Nr. 318

Einseitiges Fügen von Blech-Profil-Konstruktionen mit lösbaren und nicht lösbaren Hilfsfügeelementen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn, Dipl.-Wirt.-Ing. Frederic Flüggen, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn

214 Seiten (sw, 121 Abb., 39 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-354-7

Preis (Digital) EUR 70,00

Preis (Print) EUR 79,00

Zusammenfassung

Die Umsetzung innovativer Leichtbaukonzepte führt zu immer komplexeren Bauteilen und Konstruktionen, die vermehrt aus Rahmenstrukturen in Profil- oder Modulbauweise erstellt werden. Um Baugruppen belastungsgerecht zu konstruieren, wird des Weiteren zunehmend die Mischbauweise aus verschiedensten Werkstoffen umgesetzt.

Eine Schlüsselfunktion in der Umsetzung solcher Leichtbaukonzepte stellt die Fügetechnik dar. Hierbei haben die mechanischen Fügeverfahren gegenüber den thermischen Fügeverfahren an Bedeutung gewonnen. Weiterhin ist durch den zunehmenden Einsatz geschlossener Profilgeometrien oftmals nur eine einseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle gegeben.

Eine Lösung dieser fügetechnischen Herausforderung stellt das Bolzensetzen dar, bei dem ein nagelähnliches Hilfsfügeelement mit hoher Geschwindigkeit in die Bauteile eingetrieben wird.

Zum heutigen Zeitpunkt wird dieses Verfahren jedoch fast ausschließlich zum Fügen in massive Untergründe verwendet, so dass die gegenwärtig auf dem Markt verfügbaren Bolzensetzgeräte, für eine Anwendung im Blech-Profil-Verbund, aufgrund unzureichender Einstellbarkeit der Prozessparameter ungeeignet sind.

Ziel des Forschungsprojektes war es daher, das impulsförmige Fügen unter Verwendung einer neu entwickelten druckluftbetriebenen Systemtechnik als ein alternatives, innovatives Fügeverfahren für Mischbauweisen aus Blech- und Profilwerkstoffen zu etablieren.

Um dieses Ziel zu erreichen wurden zahlreiche Untersuchungen zur Fügbarkeit und zum Tragverhalten von Setzbolzenverbindungen in Profilbauweise durchgeführt. Hierbei wurden insbesondere konstruktive Aspekte, wie beispielsweise der Einfluss der Fügeteilsteifigkeit betrachtet. Hinsichtlich der Prozessfähigkeit wurden vor dem Hintergrund des Recyclings und der Reparaturmöglichkeit neben nicht lösbaren auch lösbare Hilfsfügeelemente untersucht. In Summe konnte mit den Untersuchungen gezeigt werden, dass das Bolzensetzen zum Fügen von Strukturen in Profilbauweise geeignet ist, wobei prinzipiell auch schraubbare Hilfsfügeelemente verwendet werden können.

Durch Untersuchungen zum Einfluss der Steifigkeit und der Prozessparameter auf die Deformation der Fügeteile, konnten Konstruktionshinweise abgeleitet werden. Im Rahmen von Referenzversuchen zum Fließformschrauben, bei denen neben den Verbindungseigenschaften auch die Prozesszeiten untersucht wurden, konnte das Potenzial des Bolzensetzens aufgezeigt werden. Weiterhin konnte durch die Erarbeitung eines Lösungsansatzes zur Prozessüberwachung bestätigt werden, dass das Bolzensetzens auch für den Einsatz in der industriellen Serienfertigung geeignet ist. Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.

Das Forschungsvorhaben „Einseitiges Fügen von Blech-Profil-Konstruktionen mit lösbaren und nicht lösbaren Hilfsfügeelementen“ wurde unter der Fördernummer AiF 15645N 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. 318 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Problemstellung und Zielsetzung
3 Stand der Technik
3.1 Leichtbaukonzepte im Fahrzeugbau
3.2 Anforderungen an die Fügetechnik
3.3 Mechanisches Fügen bei einseitiger Zugänglichkeit
3.3.1 Blindnieten
3.3.2 Direktverschrauben
3.3.3 Bolzensetzen
4 Messtechnische Grundlagen
4.1 Grauwertkorrelation
4.2 Lasertriangulation
4.3 Piezoelektrische Kraftmessung
4.4 Temperaturmessung mittels Thermoelementen
5 Versuchswerkstoffe & Hilfsfügeelemente
5.1 Versuchswerkstoffe
5.1.1 Verwendete Aluminiumwerkstoffe
5.1.2 Verwendeter Stahlwerkstoff HX220YD
5.1.3 Verwendete Kunststoffe
5.2 Hilfsfügeelemente
5.2.1 Setzbolzen
5.2.2 Fließformschraube
6 Fügeeinrichtungen
6.1 Bolzensetzanlage
6.1.1 Bolzensetzgerät
6.1.2 Messtechnik
6.2 Schraubautomat
7 Prüfkörper
7.1 Probe für Festigkeitsuntersuchungen unter Kopfzugbelastung
7.2 Probe für Festigkeitsuntersuchungen unter Scherzugbelastung
7.3 Einelementprobe zur Ermittlung der Deckblechdeformation
7.4 Mehrelementprobe zur Ermittlung der Deckblechdeformation
8 Prüfverfahren und -einrichtungen
8.1 Ermittlung von Verbindungskennwerten unter quasistatischer Belastung
8.2 Ermittlung von Verbindungskennwerten unter schlagartiger Belastung
8.3 Untersuchung des Tragverhaltens bei zyklischer Belastung
8.4 Metallographische Untersuchungen
9 Herstellung von Verbindungen und deren Qualitätsmerkmale
9.1 Fertigung von Setzbolzenverbindungen
9.2 Fertigung von Fließformschraubverbindungen
10 Abschätzung des Temperaturanstiegs im Fügeteil beim Bolzensetzen
10.1 Experimentelle Abschätzung des Temperaturanstiegs
10.2 Rechnerische Abschätzung des Temperaturanstiegs
11 Analyse der Probenverformung beim Bolzensetzen
11.1 Versuchsdurchführung
11.1.1 Deformationsmessung mittels Grauwertkorrelation
11.1.2 Deformationsmessung mittels Lasertriangulation
11.2 Bewertung der untersuchten Verfahren zur Verformungsmessung
11.3 Messergebnisse
11.3.1 Deformation in Abhängigkeit der Fügestellensteifigkeit
11.3.2 Zusammenhang zwischen Deformation und Tragverhalten
11.3.3 Einfluss der Probengeometrie auf das Messergebnis
12 Experimentelle Untersuchungen zum Tragverhalten von Setzbolzenverbindungen
12.1 Tragverhalten unter quasistatischer Belastung
12.1.1 Einfluss des Randabstandes
12.1.2 Einfluss der Hohlprofilabmessungen auf das Tragverhalten
12.1.3 Tragverhalten in Abhängigkeit des Fügeteilwerkstoffs
12.1.4 Einfluss des Hilfsfügeelementes auf das Tragverhalten
12.2 Tragverhalten unter schlagartiger Belastung
12.3 Tragverhalten unter zyklischer Belastung
13 Vergleichende Untersuchungen zum Bolzensetzen und Fließformschrauben
13.1 Vergleich des Tragverhaltes von Setzbolzen- und Fließformschraubverbindungen
13.2 Vergleich der Prozesszeiten beim Bolzensetzen und beim Fließformschrauben
14 Untersuchung der Eignung des Bolzensetzens zum Fügen faserverstärkter Kunststoffe
15 Lösungsansatz zur Prozessüberwachung
16 Zusammenfassung
17 Literaturverzeichnis