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EFB-Forschungsbericht Nr. 260

Verfahrensentwicklung Hydropatchwork-Kleben

EFB260.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer, Dr.-Ing. Reinhard Mauermann, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz, Prof. Dr.-Ing. Uwe Füssel, Dipl.-Ing. Fritz Liebrecht, Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden

124 Seiten (sw 128, teils farbige Abb., 5 Tab)

ISBN: 978-3-86776-220-5

Preis (Digital) EUR 74,00

Preis (Print) EUR 83,50

Zusammenfassung

Für die Massereduzierung von Blechbauteilen bei gleichzeitiger Erhöhung der Festigkeit gibt es unterschiedliche Ansätze, wie aktuell der beanspruchungsgerechte Material- bzw. Halbzeugeinsatz innerhalb eines Bauteiles. Dieser Ansatz wurde beim Forschungsthema "Verfahrensentwicklung Hydropatchwork-Kleben" verfolgt.

Bei der Patchworktechnologie werden Blechplatinen in mechanisch hoch beanspruchten Bereichen durch aufgeklebte Bleche (Patches) partiell verstärkt und erst anschließend als geklebter Verbund umgeformt. Die Umformung erfolgt im vorliegenden Projekt durch Innenhochdruck-Umformung (IHU). Die Patchworktechnologie stellt sowohl an die Klebtechnik als auch an die IHU spezifische Anforderungen, die für das potentielle Anwendungsfeld der Karosserieteile spezifiziert wurden.

Ausgehend von der Auswahl geeigneter Klebstoffsysteme wurde eine spezielle Klebtechnologie entwickelt. Diese umfasst im ersten Schritt die örtlich definierte gleichmäßige Applikation i.d.R. hochviskoser, pastöser Klebstoffe in dünnen Schichten, wofür eine neuartige Breitschlitzdüse konstruiert und erprobt wurde.

Mit der für diese Einsatzfälle erstmals eingesetzten Infrarot-Erwärmung mit fokussiertem, nahen Infrarotlicht wurde zum Härten der Klebstoffe eine Technologie eingesetzt, die es einerseits ermöglicht, die Bauteile bei einseitiger Zugänglichkeit partiell zu erwärmen. Andererseits ist es damit möglich, den Klebstoff im Bedarfsfall nur vorzuhärten, d.h. mit einem Erwärmungsregime definiert Prozesswärme einzubringen.

Bei der anschließenden IHU unterliegt die Klebfuge hohen Beanspruchungen durch Scher-, Schäl- und Zugkräfte, da sie die Umformspannungen aus der Grundplatine in das Patch übertragen muss. Um die Klebung bei der IHU nicht zu zerstören, muss die Umformung des Patchverbundes begrenzt werden, was in der Bauteilkonstruktion berücksichtigt werden muss. Die Optimierung der Patchgeometrie hinsichtlich "Randentspannung" hat dabei eine begünstigende Wirkung auf die Verbundumformung.

Mit den im Projekt entwickelten Modellwerkzeugen können Zusammenhänge bei der Umformung geklebter Patchverbunde mit geringem Material-, Maschinen- und Zeitaufwand analysiert werden. Besonders bei Verwendung eines Gegenwerkzeuges können relevante Prozessbedingungen bei der Herstellung von Realbauteilen praxisnah und einfach nachempfunden werden.

Für die Bauteilauslegung wurde der Einsatz von Simulationswerkzeugen beispielhaft verifiziert. Im Rahmen des Projektes wurden Methoden erarbeitet und Vorrichtungen geschaffen, mit denen die für eine FE-Simulation notwendigen viskoelastischen und viskoplastischen Klebschicht-Kennwerte relativ einfach, mit ausreichender Näherung ermittelbar sind. Im Ergebnis der Projektbearbeitung wurde ein FE-Modell auf Basis eines Laminatverbundes entwickelt, welches eine Integration der Umformsimulation geklebter Patchverbunde in größere Schalenstrukturen ermöglicht.

Mit der Umsetzung einer durchgehenden, automatisierten Fertigungskette von der Klebstoffdosierung bis zum Abstapeln des umformfertigen Patchverbundes wurde eine praxisrelevante Fertigungslösung als Laboranlage aufgebaut. Damit wurde die industrielle Umsetzbarkeit des Verfahrens "Hydropatchwork-Kleben" nachgewiesen.

Das Forschungsvorhaben "Verfahrensentwicklung Hydropatchwork-Kleben" wurde unter der Fördernummer AiF128ZBR 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. 260 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Summary

There have been several attempts for reducing the mass and concurrently increasing the strength of metal parts. One is to distribute the material according to the loading of a part. This approach was pursued in the research project "process development of hydropatchwork bonding".

In the patchwork technology blanks are reinforced locally in highly stressed areas by bonded sheets (patches) and then formed together as composite. In this project the hydroforming was used as forming technology. The patchwork technology puts specific requirements to the adhesive technology as well as to the hydroforming process which were specified for the potential application field of car body panels.

After selecting suitable adhesive systems, a special bonding technology was developed. This encloses in the first step the locally defined steadily application of highly viscous paste-like adhesives in thin layers, for which a new wide slot nozzle was designed and tested.

With the infrared heating by focused, close infrared light, which was used for the first time for these application cases, a technology was used which makes it possible on the one hand to warm up the components partially with one-sided access. On the other hand, it enables a limited precuring of adhesives if needed by the defined input of process heat using a heating regime.

During the hydroforming process the adhesive joint has to withstand high loads by shear-, peel- and tensile forces, because it has to transfer the forming stresses from the base plate into the patch. To avoid the destruction of the adhesive joint during the hydroforming process, the forming of the composite has to be limited, a fact that has to be taken into consideration in the component design. Besides, the optimization of the patch geometry by edge relaxation has benefiting effects on the forming of the patchwork-composite.

With the tools, developed in this project, it is possible to study and analyse parameters of the forming process of bonded sheets in a small scale, thus saving time and costs for material and machines. Especially when using a counter tool, relevant process conditions that are to be found during the forming of real components can be modelled very easily.

For the dimensioning of components the usage of simulation tools was verified exemplarily. Within the scope of the project, methods were developed and devices were created, with which the visco-elastic and visco-plastic specific values of the adhesive layer, necessary for the FE-simulation, are relatively simply determinable with adequate approximation. As a result of this project a FE-model based on a laminate composite was developed, which allows an integration of the forming simulation of bonded patch composites in larger shell structures.

With the realisation of a continuous, automated manufacturing chain starting from the adhesive dispensing up to the de-stacking of the formed patch-joints a manufacturing solution relevant for practise was built up as a laboratory plant. So the industrial practicability of the operation "hydropatchwork-bonding" could be proven.

Inhalt

Kurzzeichenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Stand der Technik Hydro-Umformung und Patchworking
2.2 Stand der Technik Kleben
3 Problemstellung und Zielsetzung
4 Anforderungen an die Klebtechnik
5 Klebstoffauswahl
5.1 Bestimmung mechanischer Kennwerte – Zugscherprüfung DIN 1465
5.2 Mechanische und thermoanalytische Charakterisierung der
Versuchsklebstoffe
5.2.1 Zugscherprüfung in Anlehnung an DIN 54451
5.2.2 Untersuchung der Aushärtemechanismen
5.2.3 Bestimmung der Glasübergangstemperaturen
6 Gestaltung des Fertigungsprozesses Kleben
6.1 Technologischer Ablauf
6.2 Klebstoffauftrag
6.3 Fügen von Platine und Patch
6.4 Klebstoffhärtung
7 Nachweis der Kompatibilität Patchworktechnik – IHU
8 Großflächige Klebstoffapplikation mit Breitschlitzdüse
9 Wärmeeinbringung mittels Nahem Infrarotlicht
10 Klebschichtkennwertermittlung zur FE-Simulation der Umformung
geklebter Patchverbunde
10.1 Klebschichtkennwertermittlung
10.1.1 Vorbetrachtungen
10.1.2 Durchführung
10.1.3 Ergebnisse
10.1.4 Auswertung
10.2 Klebstoff-Materialmodell in der FEM-Software ANSYS
10.3 Verifikation
10.3.1 Zugversuche
10.3.2 Biegeversuch
11 Auslegung, Bau, Test Versuchswerkzeug
11.1 Versuchsaufbau
11.2 Versuchswerkzeug D100
11.3 Versuchswerkzeug R110x60
12 Erster Modellversuch – Streckzug
12.1 Vorbetrachtungen
12.2 Versuchsdurchführung
12.3 Ergebnisse
12.4 Auswertung
13 Zweiter Modellversuch – Formwerkzeug
13.1 Vorbetrachtungen
13.2 Versuchsdurchführung
13.3 Ergebnisse
13.4 Auswertung
14 Demonstratorfertigung
14.1 Demonstrator B-Säule
14.1.1 Vorbetrachtungen
14.1.2 Versuchsdurchführung
14.1.3 Ergebnisse
14.1.4 Auswertung
14.2 Demonstrator Motorhaube
14.2.1 Vorbetrachtungen
14.2.2 Versuchsdurchführung
14.2.3 Ergebnisse
14.2.4 Auswertung
15 Formänderungsanalyse
15.1 Visioplastizitätsanalyse an Modellteilen aus Werkzeug R110x60
15.2 Visioplastizitätsanalyse an Motorhaubendemonstratoren
16 Versagensprüfung im Zyklustest
17 Korrosionsprüfung
18 Beschreibung der Prozessgrenzen
19 Zusammenfassung und Ausblick
20 Literatur
21 Anlagen