Aktualisiert: 2023-04-01
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Beanspruchungsanalyse von geometrisch und werkstoffmechanisch „unsymmetrischen“ Metallklebverbindungen mit der Finite-Element-Methode
Autor: Ortwin Hahn
Betriebsfestigkeit stanzgenieteter Bauteile
Für die Betriebsfestigkeitsauslegung mittels Halbhohlstanznieten gefügter Strukturen dienen Versuche unter Scherzug, Kopfzug und kombinierter Belastung an drei Werkstoffkombinationen der erforderlichen Parameteridentifikation und der Verifikation von Modellen.
Aus der Prozesssimulation werden die 3D-Modelle zur Belastungssimulation aufgebaut. Entscheidend ist, dass die für das Tragverhalten der Verbindung wesentlichen Größen aus der Fügeprozesssimulation in die Belastungssimulation übernommen wurden.
Die Berücksichtigung des Fügeprozesses in der elastisch-plastischen FE-Simulation mit 3D-Volumenmodellen und die anschließende Lebensdauerabschätzung nach dem örtlichen Konzept bietet die Möglichkeit, Schadensort und Lebensdauer für einzelne Fügestellen anzugeben.
https://www.efb.de/efb-forschungsbericht-nr-429.html
Aktualisiert: 2022-06-09
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Untersuchung technologischer Grundlagen zum Fügen durch Querdurchsetzen
Die Nut-Geometrien der zu fügenden Werkstücke werden so aufeinander abgestimmt, dass diese möglichst spielfrei ineinander gesteckt werden können. Das in seinen Abmessungen an die Nut angepasste Querdurchsetz-Werkzeug wird mit seiner größeren Achse in Längsrichtung zur Nut der positionierten Werkstücke eingesetzt und um einen definierten Winkel gedreht. Dabei werden die zu fügenden Werkstücke lokal plastisch umgeformt und die Verbindung ausgebildet.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Ermittlung des Einflusses von verbleibender Klemmkraft auf die Schwingfestigkeit von hochfesten Blindnietverbindungen
Mit einfachen Prüfaufbauten können qualitative sowie quantitative Aussagen über die Verbindungskennwerte „verbleibende Klemmkraft“ sowie die „verbleibende Lochleibung“ getroffen werden, was einen bedeutenden Mehrwert zur Auslegung von Verbindungen mittels Blindnieten darstellt.
Weiterhin wird deren Einfluss auf das Tragverhalten unter zyklischer Belastung ermittelt. Mittels der Methode der Finiten-Elemente wird der Setzprozess der untersuchten Blindnietsysteme numerisch stabil abgebildet.
An diesen Modellen können Parameterstudien zur Ermittlung von Einflussgrößen auf den Setzprozess durchgeführt werden.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Optimierung des Hybridfügeverfahrens Blindnietkleben zum Verbinden von Feinblechwerkstoffen
Das Projekt erarbeitet geeignete Fertigungsparameter zur Minimierung des Klebstoffeinflusses auf die Ausprägung von Blindnieten an dünnwandigen Blechverbindungen. Es zeigt Herausforderungen und notwendige Optimierungsmaßnahmen auf, welche bei der Herstellung von Verbindungen aus Stahl- und Aluminiumwerkstoffen mittels wärmearmer Hybridfügetechniken zu beachten sind.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Entwicklung der kombinierten Fügetechnik für Hybridbauweisen am Beispiel Stanznieten-Kleben
Hybridbauweisen, die mittels Stanznieten und warmhärtenden Klebstoffen gefügt werden, weisen nach dem Ofendurchlauf bleibende Verformungen und Klebschichtschädigungen auf. Diese führen oft zu stark verminderten Festigkeiten. Durch das Versteifen des Fügeflansches mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und biegeweicher Anordnung des anderen Flansches wird jedoch eine hohe Festigkeit und geringe Alterungsabhängigkeit erreicht.
Bei der Konstruktion von Bauteilen in Hybridbauweise können die im Rahmen dieses Projektes gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden, um die Klebschichtschädigungen zu vermeiden und hoch belastbare Verbindungen zu erzielen. Dadurch wird ein weiterer Schritt in Richtung „Multi-Material-Design“ gegangen, der zu leichteren und damit emissionsärmeren Fahrzeugen führen wird.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Untersuchungen zum Fügen mehrschnittiger Blechverbindungen aus Stahl- und Aluminiumwerkstoffen durch Stanznieten mit Halbhohl- und Vollniet
Mehrlagige Verbindungen durch Stanznieten mit Halbhohl- und Vollniet sind möglich und weisen bei entsprechender Anpassung der Setzwerkzeuge und Hilfsfügeteile an die spezielle Fügeaufgabe prinzipiell die gleichen charakteristischen Eigenschaften wie zweilagige Verbindungen auf. Für das Verbinden von Stahlwerkstoff in Tiefziehqualität und Aluminiumblechen durch Stanznieten mit Halbhohlniet können die standardmäßig verfügbaren Niete und Matrizen mit Anpassung der Prozessparameter (Füge- und Niederhalterkraft) verwendet werden.
Insgesamt wurden für die Untersuchung der vier Materialqualitäten in jeweils zwei Blechdicken mit nur vier Matrizen (zwei Standardmatrizen und zwei angepasste) gearbeitet. Mit diesen vier Matrizengravuren konnten alle artgleichen und auch die Mischverbindungen mit einer charakteristischen Fügeelementausbildung erzeugt werden. Die Hilfsfügeteile (Halbhohlniete) mussten in Länge und Härtegrad, entsprechend der Gesamtfügeteildicke und Materialqualität der Fügeteile, der Fügeaufgabe angepasst werden, so dass hier insgesamt 8 Nietarten zum Einsatz kamen. Bei mehrlagigen Verbindungen sind entsprechend der größeren Fügeteilgesamtdicken höhere Prozesskräfte (Fügekräfte) im Vergleich zu zweilagigen Verbindungen erforderlich. Unabhängig von der Art der Fügeaufgabe ist in der Regel eine hohe Prozessstabilität zu verzeichnen, was durch kleine Werte der Standardabweichung bei der quasistatischen Verbindungsfestigkeit belegt wird.
Die Untersuchungen zur Fügeteilanordnung führen zu der Erkenntnis, dass auch bei Vorhandensein unterschiedlicher Blechdicken und der Ausführung von Mischverbindungen in jedem Fall eine in Fügeelementausbildung und Verbindungsfestigkeit hochwertige Stanznietverbindung mit Halbhohl und Vollniet erzeugt werden kann. In bestimmten Grenzen sind dabei Veränderungen der Fügeteilgesamtdicke bzw. der Wechsel der Fügerichtung beim Stanznieten mit Halbhohlniet möglich, ohne dass Niet oder Matrize geändert werden müssen.
Beim Stanznieten mit Vollniet sind die zulässigen Gesamtblechdicken je Nietlänge zu beachten, da dieses Verfahren vergleichsweise empfindlicher auf Blechdickenschwankungen reagiert. Ebenfalls ist zu beachten, dass die unter quasistatischer Scher- und Schälzugbelastung erreichbaren Festigkeiten variieren. Diese Aussagen gelten prinzipiell auch für das untersuchte höherfeste Stahlblech, wobei hier die Verwendung einer angepassten Matrize beim Stanznieten mit Halbhohlniet die Fügeelementausbildung begünstigt. Für die sichere Abschätzung der quasistatischen Verbindungsfestigkeit an Einpunktproben empfiehlt sich die Einspannung am äußeren Blech als kritischster Fall. Die quasistatischen Verbindungsfestigkeiten lassen nur bedingt Rückschlüsse auf das dynamische Verhalten zu, da die unterschiedlichen Steifigkeiten und Lasteinleitungsfälle ein anderes Versagensverhalten verursachen.
Das Stanznieten mit Halbhohlniet zeigt sich tolerant gegenüber fertigungsbedingten Einflüssen (Oberfläche, Blechdickenschwankungen), so dass auch die bei mehrlagigen Verbindungen größere Summation von Toleranzen keinen signifikanten Einfluss auf Fügeelementausbildung und Verbindungsfestigkeit ausüben. Aus anwendungstechnischer Sicht sollten folgende Grundregeln beachtet werden:
- Bei Mischverbindungen ähnlicher Dicke Material mit höherer Festigkeit außen anordnen.
- Bei artgleichen Verbindungen unterschiedlicher Einzelblechdicke dickere Materiallagen außen anordnen (vorzugsweise matrizenseitig).
Aktualisiert: 2022-02-08
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Weiterentwicklung des Clinchens für crashbeanspruchte Strukturen
Ziel des Forschungsvorhabens war es, aufbauend auf der experimentellen Ermittlung der Eigenschaften geclinchter Feinbleche unter stoßartiger Belastung im Vergleich zu den Eigenschaften unter quasistatischer und schwingender Belastung durch gezielte Fügeparameteranpassung das Anwendungsspektrum für das Clinchen zu erweitern. Zu diesem Zweck wurden Clinchsysteme mit ungeteilter, zweigeteilter und dreigeteilter Matrize hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit unter Crashbelastung untersucht.
Zum Einsatz kamen hier der Stahlwerkstoff H340 LA und der Aluminiumwerkstoff AA6181 A. Am Beispiel des Systems mit zweigeteilter Matrize wurde mit dem H340 LA gezeigt, dass mittels einer Optimierung in Richtung Mischversagen des Fügepunktes eine Erhöhung der Energieaufnahme erzielt werden kann. Die herausgearbeitete Systematik wurde dann bei den anderen Systemen angewendet.
Anschließend wurde anhand des Systems mit zweigeteilter Matrize verdeutlicht, dass die an einfachen Proben erzielten Ergebnisse auf bauteilähnliche Proben übertragen werden können. So wurde insgesamt gezeigt, dass durch die gezielte Anpassung von Fügeelementmerkmalen die Tragfähigkeit unter Crashbelastung erhöht werden kann.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Durchsetzfügen bei Hybridbauweisen aus Stahl und Aluminium
Ziel des Projektes war, die Eigenschaften geclinchter Mischverbindungen von Stahl und Aluminiumwerkstoffen unter mechanischer und thermischer Belastung zu ermitteln, um der Konstruktion und Fertigung Hinweise für eine werkstoff- und fügegerechte Gestaltung der Verbindungsstelle zu geben. Unter dem Aspekt der Verbindungsfestigkeit zeigte sich, dass der Stahlwerkstoff grundsätzlich stempelseitig angeordnet sein sollte. Unter quasistatischer Belastung lassen sich bei der Anordnung "Stahl in Aluminium" je nach Dicke und Festigkeit der Fügeteilwerkstoffe sowie abhängig von der Belastungsrichtung insbesondere unter Scherzugbelastung bis zu doppelt so hohe Maximalkräfte übertragen als bei umgekehrter Anordnung der Fügeteile. Unter schwingender Beanspruchung können die Stahl in Aluminium-Verbindungen sogar mit einer zwei- bis fünffach höheren Amplitude belastet werden.
Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügeteilwerkstoffe bewirken bei Temperaturbelastung eine Reihe unterschiedlicher Effekte. Bei stempelseitiger Anordnung des Aluminiumwerkstoffes führte eine einmalige Erwärmung auf 180°C zu einer Lockerung der Verbindung durch plastische Verformung des Aluminiums. Bei Mehrelementproben kommt es bei einem großen Fügepunktabstand sowie geringer Steifigkeit der Fügeteile im Flanschbereich zu einem Aufwölben des Aluminiumbleches. Wahrend einer Temperaturbelastung von 180°C konnten Taschen mit einer Höhe von bis zu 1,7 mm gemessen werden, was insbesondere bei der Kombination des Clinchens mit dem Kleben zu berücksichtigen ist. Durch eine Verringerung des Fügepunktabstandes und einer Erhöhung der Fügeteilsteifigkeit konnten die temporären Verformungen erheblich eingeschränkt und bleibende Verwerfungen vermieden werden.
Bei stempelseitiger Anordnung der Stahlfügeteile wirkten sich Temperaturbelastungen nicht wesentlich auf die Verbindungsfestigkeit aus. Sind die Aluminiumfügeteile stempelseitig angeordnet, kann eine thermische Belastung der Bauteile, z. B. durch eine KTL-Aushärtung, zu einer Verminderung der Verbindungsfestigkeit im vorliegenden Fall um bis zu 15 % führen.
Gründe hierfür sind der erwähnte Verlust des Kraftschlusses, eine Verformung des Clinchelementes im Halsbereich bei ausreichend hoher , Temperatur und Fügeteilsteifigkeit sowie eine Entfestigung des Aluminiumwerkstoffes im Halsbereich insbesondere bei naturharten Legierungen.
Das Clinchen von Stahl und Aluminium ist prozesssicher möglich. Es sollte jedoch immer die Fügerichtung Stahl in Aluminium eingehalten werden.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Eignung des Durchsetzfügens zum Erzeugen von Mehrblechverbindungen
Die Untersuchung der Eignung verschiedener Clinchsysteme zum Verbinden von unterschiedlichen Stahl- und Aluminium-drei-Blechanordnungen war Ziel dieses Forschungsvorhabens. Bei der Auswahl der zu untersuchenden Werkstoffkombinationen wurden bewusst kritische Werkstoffanordnungen ausgewählt, um die Grenzen der eingesetzten Clinchverfahren zu ermitteln. Bei den Untersuchungen kamen ausschließlich einstufige Clinchverfahren zum Einsatz.
Nichtschneidende verfahren wie das Tox Clinchen, das Eckold-R-Clinchen und das Tog-L-Loc® Clinchen wurden ebenso wie das schneidende Clinchverfahren Lance-N-Loc® untersucht.
Nach den Festigkeitsuntersuchungen unter Scher- und Schälzugbelastung, erfolgte für ausgewählte Werkstoffkombinationen eine Untersuchung unter quasistatischer und zyklischer Belastung bei definierter Vorgabe der Lasteinleitungswinkel.
Bei allen Untersuchungen wurde der Besonderheit der unterschiedlichen Lasteinleitungsvarianten für Mehrblechverbindungen durch in geeigneter Weise modifizierten Proben Rechnung getragen / berücksichtigt. Sowohl unter quasistatischer als auch unter zyklischer Belastung zeigten sich die besonderen Eigenschaften bzgl. Des Tragverhaltens von Dreiblechverbindungen. Abhängig von den jeweiligen Blechlagen, in die die primäre Lasteinleitung erfolgte, wurden unterschiedliche Verbindungsfestigkeiten für die untersuchten Mehrblechverbindungen ermittelt.
Alle im Rahmen des Projektes untersuchten Clinchverfahren zeigen, dass sie sich bei Berücksichtigung von Gestaltungsempfehlungen für die Anordnung der Fügeteile, grundsätzlich für das Verbinden ungleicher Blechdicken unterschiedlicher Werkstofffestigkeiten in Dreiblechanordnung eignen.
Bei den untersuchten nichtschneidenden Clinchverfahren wurde bei der Auswahl der Werkstoff- und Blechdickenkombinationen der Ermittlung verfahrenstechnischer Grenzen Rechnung getragen. Für die hier untersuchten nichtschneidenden Clinchverfahren war die Anordnung der Blechdicken und bei heterogenen Werkstoffverbindungen auch die Anordnung der Werkstoffe unterschiedlicher Festigkeiten für die Herstellbarkeit von Verbindungen zufrieden stellender Tragfähigkeit von entscheidender Bedeutung. Aufgrund der notwendigen großen Durchsetztiefe des Stempels zur Ausbildung der Hinterschnitte kam es gerade bei dünnen stempelseitigen Blechlagen zum Werkstoffversagen beim Fügevorgang, dem so genannten Halsabriss. Hatte der stempelseitig angeordnete Werkstoff bei der gewählten Werkzeugkombination nicht das zur Verbindungsherstellung notwendige Umformvermögen, kam es während des Fügevorganges ebenfalls zum stempelseitigen Werkstoffversagen.
Das untersuchte schneidende Clinchverfahren mit balkenförmiger Fügeelementausbildung verhielt sich bzgl. der zu verbindenden Werkstoffe und Blechdicken, bzw. deren Anordnung zueinander, toleranter als die untersuchten nichtschneidenden Clinchverfahren. Für alle untersuchten Werkstoff- und Blechdickenkombinationen wurden während der Projektbearbeitung zufrieden stellende Festigkeiten ermittelt. Gilt es allerdings die vorhandenen Werkstofffestigkeiten der Fügeteilpartner in entsprechende Verbindungsfestigkeiten zu übertragen, sollte auch für das schneidende Clinchen den getroffenen Gestaltungsempfehlungen zur Anordnung der einzelnen Blechlagen zueinander entsprochen werden. Bei den Untersuchungen unter quasistatischer und unter zyklischer Belastung war unter einem Lasteinleitungswinkel von 0° der Einschnitt, der während der Verbindungsherstellung erzeugt wird, Ursache für das Versagen der Clinchverbindung.
Aufgrund der Untersuchungsergebnisse wurden nach deren Auswertung in einem gesonderten Kapitel Gestaltungsempfehlungen für den Einsatz der untersuchten Clinchverfahren zum Verbinden von Mehrblechverbindungen formuliert. Parameter wie die Lasteinleitungsvariante, der Lasteinleitungswinkel , das Verhältnis der Einzel- zur Gesamtblechdicke des Mehrblechverbundes und die Werkstofffestigkeiten werden dort erläutert und in ihrem Einfluss auf die Verbindungsfestigkeit bewertet. Die Ergebnisse können direkt in allen Bereichen der Clinchtechnologie verwendet werden. Sowohl die Herstellerhäuser von Clinchwerkzeugen und Clincheinrichtungen als auch die Anwender der Clinchtechnologie aus Handwerk und Industrie können die Ergebnisse direkt umsetzen.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Technologiespeicher mechanische Fügetechniken – Einseitiges Verbinden mit Nietelementen
Zunehmend gewinnen mechanische Fügeverfahren wie das einseitige Verbinden mit Nietelementen an Bedeutung. Dem industriellen Einsatz der Blindniettechnik stehen häufig noch unzureichende Kenntnisse in Bezug auf die verfahrensspezifischen Besonderheiten entgegen. Es ist derzeit äußerst schwierig, zu einer fundierten Entscheidungsgrundlage bei der Auswahl einer Technologie für konkrete Anwendungen zu kommen.
Ein Überblick über das Fachgebiet erfordert das Studium zahlreicher Fachpublikationen. In der Praxis erweist sich dieses als zeit- und kostenaufwendig und nicht immer effektiv. Das verfügbare Angebot an Wissen über die Blindniettechnik ist nur eingeschränkt überschaubar und häufig nicht zielgerecht auszuwerten und anzuwenden.
Elektronische Informationssysteme können dem potentiellen Nutzer dieser Technologie eine entscheidende Unterstützung bieten. Wissensbasierte Systeme bieten die Möglichkeit, schnell und effektiv zu informieren und bei konkreten Verbindungsaufgaben zu assistieren. Sie ermöglichen es, das Potential dieser Fügetechnologie einem größeren Kreis von Anwendern verfügbar zu machen.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Fakten und Kenntnisse bezogen auf das einseitige Verbinden mit Nietelementen (Blindniete, Blindnietmuttern und -bolzen) zusammengetragen, durch experimentelle Untersuchungen eine einheitliche Darstellung der Nietsysteme ermöglicht, das damit verfügbare Know-how systematisch aufbereitet, strukturiert, u. a. mit Hilfe von Konstruktionskatalogen, und in einem wissensbasierten System abgebildet. Dieses fachspezifische Wissen wird den betrieblichen Bereichen Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Qualitätswesen zur Verfügung gestellt. Es ist ein wissensbasiertes System zum Blindnieten, der Technologiespeicher Mechanische Fügetechniken - Beispiel Blindnieten, entwickelt worden. Der Technologiespeicher Blindnieten bietet Hilfe bei der Auswahl einer Technologie für konkrete Anwendungen und informiert über die Möglichkeiten und Grenzen dieser Fügetechnologie...
Aktualisiert: 2022-02-08
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Einsatz von Aluminium-Funktionselementen bei Aluminiumanwendungen
Aufgrund des zunehmenden Leichtbaus und des damit verbundenen Einsatzes neuer und leichter Werkstoffe in vielen Bereichen der blechverarbeitenden Industrie, kommt es u. a. in der Automobilindustrie immer häufiger zum Einsatz von Aluminiumlegierungen.
Bedingt durch die Umstellung auf Aluminiumwerkstoffe, die nicht nur artrein sondern auch in Mischbauweise mit anderen Werkstoffen verbunden werden, muss auch eine Anpassung der Fügeverfahren erfolgen. Hier bieten mechanische Fügeverfahren wie Clinchen, Stanznieten aber auch das Verbinden mit Hilfe von Funktionselementen, als Verfahren, das eine lösbare Verbindung ermöglicht, ein großes Potential. Bei Letzteren befinden sich derzeit überwiegend schwere Stahlfunktionselemente im Einsatz, die zur Vermeidung von Kontaktkorrosion mit aufwendigen Beschichtungen zu versehen sind. Auch in Bezug auf Recycling, welches eine immer größere Bedeutung gewinnt, muss bei Stahlelementen in Aluminiumbauteilen am Ende der Produktlebenszeit eine aufwendige Trennung erfolgen.
Als Alternative zu den Funktionselementen aus Stahl, wurden und werden daher Funktionselemente aus Aluminium entwickelt. Zurzeit existieren jedoch noch keine Kennwerte in Bezug auf das Einbring-, Festigkeits- oder das Korrosionsverhalten dieser Funktionselemente bzw. der mit Hilfe dieser Funktionselemente erstellten Gesamtverbindungen. Auch gibt es keine Informationen darüber, wie sich Funktionselemente aus Aluminium gegenüber einer thermischen Belastung oder durch schwankende Prozessrandbedingungen, wie z. B. Vorlochtoleranzen, verhalten.
Um einen kalkulierbaren Einsatz von Funktionselementen aus Aluminium beispielsweise im Automobilbau zu ermöglichen, wurden im Rahmen dieses Projekts eine Reihe unterschiedlicher Untersuchungen durchgeführt. Diese Untersuchungen ließen sich grob in zwei Gruppen unterteilen: Untersuchungen am eingebrachten Funktionselement (unverschraubt) und Untersuchungen an verschraubten Gesamtverbindungen.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Bewertung der Schwingfestigkeit halbhohlstanzgenieteter Bauteile aus TRIP-Stählen anhand verschiedener Abbruchkriterien bei verschiedenen Prüffrequenzen
Mit Stanznieten lassen sich hochfeste Stahlwerkstoffe sowohl artrein aber auch in Mischbauweise mit Leichtbauwerkstoffen bei hoher Prozesssicherheit und Festigkeit verbinden. Halbhohlstanznietverbindungen können mit dem Typ HD2 in einem schnellen Fügeprozesses (100-150 mm/s) prozesssicher ohne Rissbildung hergestellt werden.
Versuche zeigen die unterschiedlichen Versagensmechanismen von drei Verbindungsarten und die Lage der Wöhlerlinien für die Kriterien Bruch und technischer Anriss auf und geben Erkenntnisse über den Anrissort und -zeitpunkt in Abhängigkeit von der Belastungsrichtung.
Insbesondere kleinere Unternehmen werden in die Lage versetzt, Stanznietverbindungen in TRIP-Stählen prozesstechnisch zu beherrschen und unter zyklischer Belastung auszulegen bzw. abzuschätzen.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Ermittlung wahrer Kennwerte für geschraubte und stanzgenietete Blechverbindungen unter schlagartiger Belastung
Im zunehmenden Einsatz der Mischbauweise haben die mechanischen Fügeverfahren gegenüber den wärmeintensiven thermischen Verfahren an Bedeutung gewonnen, weil mit ihnen artverschiedene Werkstoffe gefügt werden, ohne die spezifischen Eigenschaften der Fügeteile zu verändern.
Mit Hilfe loch- und gewindeformender Schrauben oder Stanznieten wird eine kraft- und formschlüssige Verbindung ohne aufwendige Vorlochoperation realisiert. Sie haben zudem den Vorteil, dass eine einseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle ausreicht.
Immer genauere Auslegungen von Bauteilen sollen Über- und Unterdimensionierungen verhindern. Dies bedingt jedoch präzise Informationen über das Verhalten der Fügestelle in crashbelasteten Blechstrukturen. Das Projekt ermittelt bisher nicht vorhandene Verbindungskennwerte als Eingangsdaten für die Simulation gefügter Blechstrukturen unter schlagartiger Belastung.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Wärmearmes Fügen von Profilknotenverbindungen in Mischbauweise
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde untersucht, inwieweit es möglich ist durch die Verwendung wärmearmer Fügetechniken eine weitere Reduzierung des Gewichtes durch die Verwendung von Magnesium-Gussknoten zu erzielen, welches im Vergleich zu Aluminium bei nur 10% bis 20% geringerer Festigkeit etwa ein Drittel leichter ist. Die mechanische Fügetechnik und die Klebtechnik sowie deren Kombination stellen hier eine Alternative zum Schutzgasschweißen dar. Durch die gegenüber dem Schweißen reduzierte Wärmeeinbringung in die Tragrahmen wird einerseits die thermische Gefügebeeinflussung in der Fügezone und andererseits der thermisch bedingte Bauteilverzug weitestgehend vermieden. Die Klebschicht sorgt außerdem für eine Schwingungsdämpfung im Fügebereich.
In Absprache mit dem Projektbegleitenden Ausschuss wurde sich auf sechs unterschiedliche Blindnietsysteme, ein Schraubsystem, und zwei Klebstoffsysteme geeinigt. Die Oberflächen des Magnesium- und des Aluminiumwerkstoffes wurden passiviert, um die Haftung des Klebstoffes auf der Oberfläche zu gewährleisten.
Vor den experimentellen Untersuchungen an Profilknotenverbindungen wurden Grundlagenversuche zu den ausgewählten Fügesystemen an einfach überlappten Scherzugproben durchgeführt. In Festigkeitsuntersuchungen wurden sowohl elementar geklebte und elementar mechanisch gefügte als auch hybridgefügte Scherzugproben im ungealterten und gealterten Zustand unter sowohl quasistatischer als auch schwingender Zug-/Druckbelastung bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht.
Auf Grundlage der Untersuchungen an einfach überlappten Scherzugproben wurde eine Auswahl an Fügesystemen getroffen, die für die weiteren Untersuchungen an Profilknoten am geeignetsten erschienen. Hierzu zählten die Aluminium Blindniete, die gewindeformende Aluminium Schraube und der warmaushärtende 1K-Klebstoff. Die so gefügten Profilknoten wurden unter quasistatischer und schwingender Beanspruchung geprüft. Bei den elementar mechanisch gefügten Verbindungen könnte ein einheitliches Festigkeitsniveau festgestellt werden. Hierbei Versagte ausschließlich der Magnesiumknoten im Bereich oberhalb der Fügeelemente. Die geklebten und hybrid gefügten Profilknoten wiesen ebenfalls ein einheitliches Festigkeitsniveau mit voller Werkstoffausnutzung auf.
Die Untersuchungen belegen, dass mit Hilfe der mechanischen Fügetechnik und der Klebtechnik gute Verbindungsfestigkeit in Aluminiumtragrahmen unter Verwendung von Magnesiumgussknoten erreicht werden kann und durch Eigenschaftsoptimierungen der klebspezifischen Randbedingungen derartige Leichtbaustrukturen möglich erscheinen. Die Untersuchungsergebnisse weisen die Klebtechnik im Vergleich zum Schweißen als leistungsfähige Verbindungstechnik mit günstigen Festigkeitseigenschaften aus. Die Entwicklung eines kombinierten Fügeverfahrens bei einseitiger Zugänglichkeit, bestehend aus Kleben und Blindnieten, erlaubt die sichere Fixierung der Fügeteile während der Aushärtung und für den industriellen Einsatz die Integration in den Prozessablauf.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Fügen von Aluminiumfeinblechen mittels Stanznieten und Kleben unter Verwendung von Klebebändern und Klebstofffolien
Es wurde zum einen die Fügetechnologie Stanzniet-Kleben unter Verwendung von Klebebändern und Klebstofffolien systematisch untersucht und zum anderen wurden wesentliche Kennwerte zur Beschreibung des Tragverhaltens entsprechend gefügter Aluminiumfeinbleche bereitgestellt.
In der ersten Projektphase wurden Festigkeitseigenschaften elementar geklebter und stanzgenieteter Verbindungen ermittelt. Auf Basis der Bemusterungen der elementar stanzgenieteten Verbindungen der Aluminiumfeinbleche wurden mit Standard-Nietwerkzeugen Hybridverbindungen unter Verwendung von vernetzenden Klebebandsystemen hergestellt. Es stellt sich ein ausreichender Hinterschnitt ein, die Gefahr matrizenseitiger Ausbrüche ist nicht vorhanden und durch eine geringfügige Reduzierung des Stempelweges wird eine optimale Nietkopfendlage erreicht.
Charakteristisch ist bei Hybridverbindungen mit Klebebandsystemen, dass die Bänder nicht wie pastöse Klebstoffe aus dem Bereich unter dem Niederhalter verdrängt, sondern lediglich gestaucht werden. Dies führt zu einer vorhandenen Klebschicht bis nahe bzw. direkt an den Nietschaft. Problematisch gestaltet sich die Verwendung von Klebbandsystemen hinsichtlich einer Delamination im Bereich zwischen zwei Halbhohlstanznieten. Verformungsmessungen an einem zur Ermittlung von durch den Stanznietprozess induzierten Fügeteilverformung konzipierten Messstand belegen, dass bei der Verwendung von Klebebandsystemen nicht wie bei pastösen Klebsystemen von einer Taschenbildung gesprochen werden kann.
Weiterhin wurden Kennwerte hybridgefügter Verbindungen mit vernetzenden Klebebändern, Klebstofffolien und als Referenz mit einem pastösen Strukturklebstoff auf EP-Basis an Verbindungen der Kombination AlMg0,4Si1,2 in AlMg5Mn ermittelt. Für die Festigkeitsermittlung unter quasistatisch-zügiger Belastung wurden Zwei-Element-Proben mit einem Nietabstand von 50mm verwendet, um die Klebschichtausbildung zwischen zwei Nieten zu berücksichtigen.
Bei den Ergebnissen der quasistatisch-zügigen Prüfungen zeigt sich, dass das in der ersten Projektphase ermittelte gute Festigkeitsverhalten der vernetzenden Klebebandsysteme hier nicht vollständig ausgeschöpft werden kann. Grund hierfür ist eine geschwächte Grenzschicht zwischen Klebschicht und Fügeteilen, die durch den fehlenden Anpressdruck zwischen den Nietelementen verursacht wird. Einen großen Einfluss hierbei haben neben den Prozessparametern und den Klebebandeigenschaften die Toleranzen der Fügeteile. Unregelmäßigkeiten der Spaltmaße können aufgrund des gegenüber ihrer Substanzfestigkeit geringen bis zu nicht vorhandenen Tacks nicht wie bei pastösen Klebstoffen ausgeglichen werden.
Diverse Untersuchungen wie z.B. die Variation des Nietabstandes, die Variation der Fügeteilgeometrie oder der Vergleich mit Hybridverbindungen mit anderen mechanischen Fügetechnologien geben weitere Aufschlüsse über Potenziale und Nachteile der Fügetechnik Stanzniet-Kleben unter Verwendung von Klebebändern und Klebstofffolien. In Korrelation zur Ermittlung der Festigkeitseigenschaften unter quasistatisch-zügiger Belastung stellen sich auch bei der Ermittlung der Festigkeitseigenschaften bei dynamisch-schwingender Belastung die höchsten übertragbaren Kräfte bei den geklebten Verbindungen dar.
Während bei den Verbindungen mit dem pastösen Referenzklebstoff die elementar geklebten wie auch die stanzniet-geklebten durch einen Fügeteilbruch auf identischem Niveau versagen, ist bei den Verbindungen mit einem vernetzenden Klebeband ein deutlicher Festigkeitsabfall der stanzniet-geklebten Verbindungen gegenüber den elementaren Klebverbindungen zu verzeichnen. Die Ergebnisse der Festigkeitsprüfung unter dynamisch-schlagartiger Belastung zeigen hinsichtlich der Energieaufnahme einen noch stärkeren Unterschied zwischen den vernetzenden Klebebändern und dem pastösen Referenzklebstoff als bei der Prüfung unter quasistatisch-zügiger Belastung.
Bei nicht sicherheitsrelevanten Bauteilen eignen sich vernetzende Klebebandsysteme auf EP-Basis prinzipiell für das Stanzniet-Kleben. Die im Rahmen des Projektes erarbeiteten Ergebnisse geben Hinweise zur Auslegung und Fertigung stanzniet-geklebter Bauteile unter Verwendung von Klebebändern und Klebstofffolien.
Aktualisiert: 2019-10-09
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PC-gestützte Auswahl, Auslegung und Dimensionierung von Clinchwerkzeugen
Es wurde ein Softwaretool, das sog. Clinchtool, im Rahmen des Projektes für das einstufige nichtschneidende Clinchen entwickelt, das auch ungeübten Benutzern die Auswahl, Auslegung und Dimensionierung der Fügewerkzeuge innerhalb der marktüblichen PC-Arbeitsumgebung ermöglicht.
Das Clinchtool wurde so konzipiert, dass mit Hilfe einer graphischen Oberfläche die Abfrage aller simulationsrelevanten Daten erfolgt. Die entsprechenden Kennwerte und Modelldaten werden direkt in dem Clinchtool gespeichert. Die Generierung der FEM-Eingabedatei, die Lösung des FE-Gleichungssystems sowie die Ergebnisauswertung erfolgt automatisch. Zur Ergebnisauswertung wurde ebenfalls eine graphische Oberfläche generiert, die dem Benutzer den Beanspruchungszustand im Fügeelement sowie qualitätsbeschreibende geometrische Kenngrößen.
Der Verbindung und ausgewählte Verbindungsfestigkeiten visualisiert. Dargestellt werden die Berechnungsergebnisse des Fügeprozesses in Form von Fügeelementgrößen, die als Zahlenwert angezeigt werden. Weiterhin erfolgt die Ausgabe der maximalen Fügekraft als Zahlenwert und in Form eines Stempelkraft-Fügeweg-Diagramms. Das Tragverhalten unter Kopfzugbelastung wird als Zahlenwert und in Form eines Kraft-Traversenweg-Diagramms visualisiert.
Für die Auswahl des geeigneten FEM-Programmes werden marktübliche FEM-Programmsysteme hinsichtlich ihrer Eignung zur Erreichung der Projektziele analysiert. Ausgewählt wurde das System MSC.Superform, das auch zur Speicherung der Werkstoffkenndaten sowie Geometrieangaben der Werkzeuge genutzt wird. Das im Rahmen des Projektes entwickelte Clinchtool wurde zudem an das Informationssystem Clinchen, das im Rahmen eines AiF-Projektes in Zusammenarbeit mit der GFaI (Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik) entwickelt und für das Projekt am LWF überarbeitet wurde, angebunden. Die Vernetzung der Fügeteile im Clinchtool erfolgt mit Hilfe der in MSC.Superform integrierten automatischen Vernetzungsfunktion. Die automatische Generierung der Eingabedatei wurde mit der Programmierung von sogenannten Prozeduren in MSC.Superform umgesetzt.
Das rotationssymmetrische TOX-Clinchsystem wurde mit axialsymmetrischen Elementen modelliert. Unterschiedliche Modellierungsansätze wurden verfolgt, um das nicht rotationssymmetrische Clinchsystem BTM Tog-L-Loc axialsymmetrisch zu modellieren. Auf Grund der guten Ergebnisse wurde ein Modell eingesetzt, bei dem axialsymmetrische Elemente genutzt werden und das „Spreizen“ der Lamellen mittels Federelementen in MSC.Superform modelliert wird. Im Rahmen des Projektes wurde weiterhin die Verbindungsfestigkeit unter Kopfzugbelastung numerisch ermittelt. Hierbei wurden die Ergebnisse des Fügeprozesses als Eingangsgrößen für die Kopfzugsimulation verwendet. Darüber hinaus konnte im Rahmen der FE-Simulation die stempelseitige Abstreiferkraft für beide Clinchprozesse ermittelt werden.
Der Vergleich von Simulation und Experiment zeigt eine sehr gute Übereinstimmung der Simulation der Fügeprozesse beider Clinchsysteme hinsichtlich der Fügeelementkenngrößen und der Kraft-Stempelweg-Verläufe. Auch die durchgeführten Stufensetzversuche weisen im Vergleich zum Experiment sehr gute Ergebnisse über die gesamte Eindringtiefe des Stempels auf. Bei der Verifikation der numerischen Berechnungen des Tragverhaltens unter Kopfzugbelastung mittels KS2-Proben kam es teilweise zu größeren Abweichungen. Dabei wurde festgestellt, dass sich, gerade bei dünnen Fügeteilen, die zur Verifizierung eingesetzte KS2-Probe unter Kopfzug steifer verhält als die in der Simulation benutzte rotationssymmetrische Probenform.
Zusätzlich treten bei der Simulation der Kopfzugbelastung numerische Probleme auf, die zu Unstetigkeiten im Kraft-Traversenweg-Verlauf führen können. Bei Anordnung der Fügeteile „Hart in Weich“ und „Dick in Dünn“ mit einer Blechdicke von über 1,3 mm zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Auf Grund dieser Erkenntnisse müssen die Ergebnisse der Kopfzugsimulation kritisch betrachtet werden. Die Kopfzugsimulation bietet allerdings gute Möglichkeiten für Vergleichsrechnungen.
Durchführung und Auswertung numerischer Simulationen des Clinchprozesses und der Belastung der Verbindung unter Kopfzug wird auch Benutzern ohne Kenntnisse von CAE- und Finite-Elementen-Systemen durch das entwickelte Clinchtool möglich.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Schwingfestigkeit von durchsetzgefügten, bauteilähnlichen Aluminiumverbindungen
Ziel der Arbeit war die vergleichende Bewertung des mechanischen Verhaltens durchsetzgefügter und punktgeschweißter Prüfkörper für unterschiedliche Belastungsfälle.
Die mechanische Festigkeit von Durchsetzfügeelementen kann positiv dadurch beeinflußt werden, daß bei befetteter Oberfläche die Formschlußkomponente beispielsweise durch ein stärkeres Verstemmen der stempel- und matrizenseitigen Bleche erfolgt und/oder ein größerer Hinterschnitt gewählt wird.
Die Energieaufnahme beim Crashversuch unterschiedlich gefügter Aluminiumprofile war für Fügeabstände von 16 mm und 25 mm für druckgefügte, geclinchte und punktgeschweißte Profile vergleichbar. Bei einem Fügeabstand von 50 mm war Faltenbeulen der Bauteile nur noch mit punktgeschweißten Probanden möglich.
Durchsetzgefügte Bauteile versagten bei diesem Fügeabstand durch Abreißen einzelner oder aller Fügeelemente und anschließendem vollständigen Aufplatzen.
Aufgrund dieser Zielsetzung erfolgten die experimentellen Untersuchungen zumeist nach normierten Richtlinien zur Prüfung von Punktschweißverbindungen oder aber nach Prüfempfehlungen, wie sie insbesondere in der Automobilindustrie favorisiert werden.
Aus fertigungstechnischer Sicht ist man bestrebt, die Bleche ohne vorherige Entfettung zu fügen. Die durchgeführten Untersuchungen wurden deshalb in der Regel mit befetteten Blechen durchgeführt. Als Überlappungslänge wurde für die meisten Untersuchungen eine praxisübliche Abmessung von 16 mm gewählt.
Durchsetzfügeelemente sind quasiformschlüssige Fügeverbindungen. Sowohl ein Formschluß durch mechanische Verklammerung der gefügten Bleche als auch ein Kraftschluß tragen dazu bei, daß von den Fügeelementen Kräfte übertragen werden können.
Als Prüfverfahren, das neben der Ermittlung der Höchstzugkraft auch die Verformung der Fügeelementzone bei Zugbeanspruchung mit berücksichtigt, hat sich der Scherzugversuch in Verbindung mit einer Feindehnungsmessung im Bereich der Fügeteilüberlappung bewährt. Versuchsergebnisse zeigten hier deutliche Unterschiede im Verformungsverhalten der unterschiedlichen Durchsetzfügeelemente bei äußerer Beanspruchung. So wurde festgestellt, daß schon bei geringer Belastung eine große Verformung in der Fügezone einer in Fügeelementlängsrichtung beanspruchten Balken-Clinch Verbindungen eintritt. Im Vergleich zur Maximalkraft ist ebenfalls bei den untersuchten Stern-Clinch Elementen eine vergleichsweise zu Druckfüge- und TOX-Rundpunkt Elementen niedrige Kraft notwendig, um eine große Verformung der Fügeelementstruktur zu bewirken.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Untersuchungen zur Eignung ausgewählter Blechschraubenarten zum Verbinden von Aluminiumhalbzeugen
Die Motivation zur Durchführung dieses Forschungsvorhabens lag in der Ermittlung der Eignung ausgewählter Blechschraubenarten zum Verbinden von Aluminiumhalbzeugen.
Ziel war es, das große Potential der Dünnblechschrauben auch für die Verbindung von Aluminiumblech-, Aluminiumstrangpressprofil- und Aluminiumgusswerkstoffen zu nutzen. Entsprechend wurden 3 grundsätzlich unterschiedliche Dünnblechschraubentypen, die gewindefurchenden, die lochbohrenden und die loch- und gewindeformenden Dünnblechschrauben untersucht. Bei den loch- und gewindeformenden Schrauben wurden weiterhin kaltlochformende und fließlochformende Schrauben näher betrachtet. Es wurden sowohl elementare Schraubenverbindungen als auch die Kombinationen mit einem typischen Rohbauklebstoff, einem einkomponentigen Epoxidharzklebstoff, unter quasistatischer und zyklischer Lasteinleitung untersucht.Aufgrund der unterschiedlichen Fügeteil- bzw. Hilfsfügeteilwerkstoffe wurden
ausgewählte Verbindungen mittels Korrosions- und Klimatests geprüft...
Aktualisiert: 2019-10-09
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Fügen von Edelstahlblechen mit verzinkten Feinblechen durch Stanznieten mit Halbhohl- und Vollniet
Sowohl das Stanznieten mit Halbhohl- als auch das Stanznieten mit Vollniet sind geeignet zum Verbinden von Edelstahlen mit verzinkten Feinblechen.
Beim Stanznieten mit Vollniet konnte mit gezielter Anpassung der Nietlange und der Matrizengravur charakteristische Verbindungsausbildung erzielt werden. Die standardmäßig verfügbare Vollnietkontur erwies sich als geeignet zum Verbinden von Edelstahlblechen mit verzinkten Feinblechen. Die verfügbare Stufung der Nietlängen (0,3mm) ist ausreichend, um die Nietlänge der Gesamtfügeteildicke anzupassen. Eine kleinere Stufung und damit ein größeres Sortiment an Vollnieten erscheint nicht notwendig. Bei der Auswahl der Matrizengravur gilt prinzipiell je größer die Festigkeit des stempelseitigen Materiales um so kleiner ist die Wirkfläche der Matrize zu wählen bei gleichzeitiger Vergrößerung der Konturhöhe. Die Untersuchungen zum Einfluss der Temperatur der Fügeteile während des Setzprozesses zur Verringerung der Martensitbildung des austenitischen Stahles zeigen im Setzkurvenverlauf eine Verringerung der zur Verbindungserzeugung notwendigen Stanzkraft und somit des sich einstellenden Schnittschlages, was mit einer geringeren Maschinenbelastung einhergeht. Im metallographischen Querschliff wurden keine Änderungen in der Verbindungsausbildung festgestellt. Jedoch konnten höhere erreichbare quasistatische Festigkeiten und Arbeitsaufnahmevermögen der Verbindungen festgestellt werden.
Beim Stanznieten mit Halbhohlniet wurden ebenfalls charakteristische und reproduzierbare Fügeergebnisse beim Verbinden von Edelstählen mit verzinkten Feinblechen erzielt. Auch hier ist eine gezielte Matrizen- und Nietanpassung entsprechend der Fügeaufgabe zur Optimierung der Verbindung notwendig, um eine optimale Verbindungstragfähigkeit zu erzielen. Dabei ist beim Einsatz der metastabilen austenitischen Stähle je Blechcharge eine Optimierung zu empfehlen. Eine Erhöhung der Niederhalterkraft bewirkt keine Verbesserung des Schneidverhaltens des Nietes bei der Verbindungsausbildung.
Die Temperatur der Fügeteile hat signifikanten Einfluss auf die Verformungsmartensitbildung während des Setzprozesses. Bei einer Temperatur der Fügeteile von 80°C wahrend des Setzprozesses ist der im Austenit entstehende Martensitgehalt auf rund 30% reduzierbar. Auf die Fügeelementausbildung und dessen Tragverhalten wurde für die betrachteten Verbindungsvarianten kein wesentlicher Einfluss erkannt.
Ein Geschwindigkeitseinfluß auf das Fügeergebnis bei der Verarbeitung von austenitischen Stählen konnte nicht nachgewiesen werden.
Aktualisiert: 2022-02-08
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