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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Zur Umsetzung des automobilen Karosserieleichtbaus ist besonders gut der Werkstoff Magnesium aufgrund seiner geringen Dichte im Vergleich zu anderen Werkstoffen wie z.B. Stahl geeignet. Neben der Umformung von Magnesium, speziell Magnesiumblechen, spielt das Fügen der Bauteile eine entscheidende Rolle. Da Magnesium stofflich nicht fügbar ist, gewinnen umformtechnische Fügeverfahren wie das Durchsetzfügen zunehmend an Bedeutung.
Magnesium muss sowohl zum Umformen mittels Tiefziehen als auch zum Fügen mittels Durchsetzfügen temperiert werden, da Magnesium bei Raumtemperatur nur ein eingeschränktes Umformvermögen besitzt.
Es wurden verschiedene Methoden zur Temperierung des Durchsetzungsprozesses untersucht. Mit ausgewählten Temperierungsmethoden wurden zwei Anlagentechniken entwickelt und realisiert. Am IFUM in Hannover wurde der Fügeprozess konduktiv erwärmt, es wurde dabei das Fügesystem der Firma Eckold eingesetzt. Am LUT in Dresden wurde die Fügestelle mittels elektrischer Widerstandserwärmung erwärmt. Es kam das Fügesystem der Firma TOX zum Einsatz.
Es wurden optimale Prozessparameter zum temperierten Durchsetzfügen von Magnesiumblechen ermittelt. Das Hauptkriterium war die erforderliche Heizzeit zum Erwärmen der Fügestelle, die im Rahmen der Anlagenentwicklung minimiert wurde.
Die Heizzeit zur Herstellung von Fügepunkten mit den besten Verbindungseigenschaften beträgt bei beiden realisierten Anlagetechniken ca. 6 Sekunden. Für das Durchsetzfügen der Magnesiumknetlegierungen MgAl3Zn1 (AZ31) und MgAl6Zn1 (AZ61) ist dabei eine Temperierung des Fügeprozesses auf T = 250°C erforderlich.
Die Fügepunktqualität wurde im Hinblick auf die geometrische Ausbildung der Fügestelle, die Charakterisierung des Werkstoffverhaltens, die Verbindungsfestigkeit und die Korrosionsanfälligkeit ermittelt.
Darüber hinaus wurden Bauteile mittels Tiefziehen hergestellt, um den Einfluss von Vorverfestigungen auf den anschließenden Fügeprozess zu ermitteln. Es hat sich gezeigt, dass zum Fügen der Bauteile im Bodenbereich ein höhere Temperierung von T > 275°C erforderlich ist, als im Flanschbereich (T = 250°C).
Aktualisiert: 2019-10-09
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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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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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Es wurde gezeigt, dass mit Hilfe des geregelten Laserstrahlhärtens CVD-beschichtete Werkzeuge nachgehärtet werden können. Durch die angepasste Regelung ist es möglich, auch komplizierte Bauformen mit sich ändernden Geometrien bei nahezu konstanten Oberflächentemperaturen zu härten. Durch das Nachhärten mittels Laserstrahlung ist die Maßänderung schon bei Werkzeugen mit kleinen Außenmassen deutlich reduziert worden.
Bei großen, kompliziert geformten 3D-Werkzeugen kann somit auf das Nacharbeiten des Werkzeuges nach dem Nachhärten verzichtet werden. Optimierungsbedarf besteht bei der Schutzgasabschirmung, um Oxidationen der CVD-Schichten während des Laserstrahlhärtens zu vermeiden und daraus entstehende Schichtschädigungen auszuschließen. Maßgeblichen Einfluss auf das Härteergebnis hat die Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils vor dem Laserstrahlhärten.
Es hat sich gezeigt, dass eine raue Oberfläche gegenüber einer polierten ein besseres Härteergebnis sowohl in der Einhärtetiefe als auch in der Absoluthärte liefert. Begründet wird dieses Ergebnis durch das bessere Absorptionsvermögen der Laserstrahlleistung bei rauen im Vergleich zu polierten Oberflächen. Bei dem Härten mit Laserstrahlung wurde ausschließlich Standardlinsen als Fokussieroptik eingesetzt. Durch das Gauß’sche Verteilungsprofil der Laserstrahlleistung ergeben sich Nachteile, die durch den Einsatz anderer Optiken verringert oder vollständig kompensiert werden können.
Das Ziel des Forschungsvorhaben ist in Teilen erreicht worden, da die laserstrahlnachgehärteten Werkzeuge nach derzeitigem Entwicklungsstand die sehr guten Verschleißeigenschaften der konventionell (vakuumnachgehärtet) gefertigten Werkzeuge noch nicht vollständig besitzen. Weiterentwicklungen am Laserprozess, insbesondere die Optimierung des Härteprozesses durch Verwendung anderer Optiken oder eines Scanners lassen auf Erreichen dieses Zieles hoffen.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Für die Ermittlung des Grenzziehverhältnisses als ein Kriterium für die Urformbarkeit bestehen für den Feinblechbereich jahrzehntelange umfangreiche Erfahrungen. Die Untersuchung der Übertragbarkeit auf den Dünnblechbereich (Blechdicke zwischen 0,1 und 0,5 mm) sowohl auf dem experimentellen Gebiet als auch für die Berechnung und Voraussage war die Aufgabe des vorliegenden Forschungsvorhabens.
Die Projektziele lassen sich wie folgt zusammenfassen :
• Experimentelle Ermittlung der Grenzziehverhältnisse für typische Materialklassen (Tiefziehstähle, Edelstähle, Aluminium) im Dünnblechbereich (0,1 bis 0,5 mm)
• Untersuchung von Ansätzen aus dem Schrifttum zur Vorausbestimmung des Grenzziehverhältnisses;
Dabei sollen insbesondere der Ansatz nach Chakrabarty und die Lösung nach Herold/Doege Berücksichtigung finden.
• Weiterentwicklung/Anpassung eines Ansatzes auf Basis der beiden o.g. und den Besonderheiten im Dünnblechbereich
• Verifikation und Kontrolle Vorausberechnung mit Hilfe exemplarischer FEM-Simulationen
• Erarbeitung von Optimierungsmöglichkeiten zur Erhöhung des Grenzziehverhältnisses
Aktualisiert: 2019-10-09
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Der Einfluss des Blechwerkstoffes und der Prozessparameter auf die Bauteilequalität beim Feinschneiden anhand von 8 unterschiedlichen Aluminiumknetlegierungen in Blechdicken zwischen 2,0 und 8,3 mm untersucht und mit entsprechenden Bauteilen aus dem Vergütungsstahl Ck 45 verglichen.
Experimentell und mit Hilfe numerischer Simulationsrechnungen konnte nachgewiesen werden, dass die erforderlich Ringzackenkraft, neben der Werkstofffestigkeit und der Ringzackenhöhe sehr davon abhängt, ob nur eine Ringzacke in den Blechwerkstoff eingedrückt wird oder ob zwei gegenüberliegende Ringzacken, die auf der Führungs- und auf der Schneidplatte angebracht sind, in das Blech gepresst werden. Zudem hängt die erforderliche Einpresskraft von der Blechdicke und vom Konturverlauf der Ringzacke ab.
In Abhängigkeit der Legierungsgruppe wurde ein für die Schnittflächenqualität optimaler Schneidspaltbereich und eine ideale Gegenhalterkraft herausgearbeitet. Eine weitere Erhöhung des erreichbaren Glattschnittanteils ermöglichte der Einsatz einer Doppelfase, die sich aus der Annährung einer Schleppkurvenfunktion (sog. Traktrix) durch zwei Geraden ergibt, oder durch die Verwendung einer vergrößerten Fase. Es gelang der Nachweis, dass eine höhere Ringzacke, als sie beim Feinschneiden von Stahl üblich ist, den Fließschervorgang unterstützt und auf diese Weise zu einer Erhöhung der glattgeschnittenen Fläche führt. Dabei konnte gezeigt werden, dass im Hinblick auf einen hohen Glattschnittanteil der Schnittfläche, der Abstand der Ringzacke von der Schnittlinie gegenüber dem Feinschneiden von Stahllegierungen geringfügig verringert werden sollte. Gegenüber der Anordnung der Ringzacke auf der Führungsplatte erhöhten sich bei allen untersuchten Werkstoffen die Glattschnittanteile an den Schnittflächen beim Einsatz einer Anordnung der Ringzacke auf der Schneid- und auf der Führungsplatte. Demnach erscheint bei Aluminiumlegierungen mit erschwerter Feinschneidbarkeit bereits ab Blechdicken um 3 mm ein beidseitiger Einsatz der Ringzacke sinnvoll.
Ein Vergleich der Ergebnisse anhand der feingeschnittenen Aluminiumbauteile mit vergleichbaren Bauteilen aus dem Vergütungsstahl Ck 45 ergab, dass für Bauteile aus Aluminium geringere Schnittgrathöhen, niedrigere Schnittflächenrauheiten und Kanteneinzüge charakteristisch sind. Einschränkungen bezüglich des Einsatzes von Bauteilen aus Aluminium gegenüber Stahlteilen können sich jedoch aufgrund der höheren Schnittflächenkonizitäten sowie höheren Abweichungen der Abmessungen von den Nennmaßen ergeben. Es konnte jedoch begründet werden, warum die Abmessungen der Aluminiumbauteile grundsätzlich über dem theoretischen Nennmaß der Schneidplatte liegen. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine spezielle Wärmebehandlung der Blechwerkstoffe direkt vor dem Schneidprozess bei allen untersuchten aushärtbaren Werkstoffen zu einer Erhöhung der Glattschnittanteile führt.
Die Berechnung des Spannungs- und Deformationszustandes beim Feinschneiden lässt noch keine Aussagen zur Qualität der Schnittfläche zu. Besonders die Vorhersage einer Rissbildung ist nur qualitativ im Vergleich möglich. Dazu sind ausgewählte Parameter in der numerischen Simulation gezielt zu variieren. Eine Ausdehnung der Feinschneidtechnik auf Aluminiumwerkstoffe ist somit möglich.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Das Fügen von Blechen mit Rundpunkt ohne Schneidanteil wird durch das Radialclinchen mit Rosettenbewegung des Stempels ermöglicht. Mit Prozesszeiten kleiner/gleich 1,3sec können zweilagig artgleiche Blechverbindungen aus Stahl und Aluminium unterschiedlicher Dicke und Festigkeit geclincht werden. Der Verfahrensablauf und die geometrische Punktausbildung sind weitgehend identisch mit den vergleichbaren konventionellen Clinchsystemen.
Haupteinflussparameter auf den Clinchvorgang sind verfahrenstechnisch:
Abwälzgeschwindigkeit des Stempels (Drehzahl Antriebsmotor)
axiale Stempelkraft
Stempeleingriffszeit.
Verbindungsfestigkeiten und äußeres Erscheinungsbild sind denen konventionell geclinchter Punkte gleichzusetzen.
Anlagentechnisch kann die Rosettenbewegung sowohl mit stationären Fügeeinrichtungen als auch mobil mit robotergeführten C-Rahmengestellen erfolgen. Unter Beachtung praxisrelevanter Vorgaben (Gesamtmasse Radialclinchzange kleiner/gleich 150kg) wurde eine neuartige Clincheinheit (Rachentiefe = 300mm, Rachenhöhe = 300mm) konzipiert, die mit kombiniertem radial- und translatorischem Stempelantrieb ausgestattet ist.
Durch Anpassung von Stempel und Niederhalterkonstruktion kann mit der Roboter-Radial-Clinchzange verzugsfrei mit reproduzierbarem Ergebnis gefügt werden.
Eine einschränkende Randbedingung bei der Bauteilzugänglichkeit stellt verfahrensbedingt der größere Arbeitsraum der Stempelantriebseinheit dar. Durch Nutzung realistischer Optimierungsschritte kann das Gesamtgleichgewicht der Roboter-Radial-Clinchzange auf ca. 100kg reduziert werden, was im Vergleich zu konventionellen Clinchzangen gleicher Leistungsfähigkeit einer Reduzierung von ca. 40% entspricht.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Neuronale Netze sind geeignet, um mit vergleichbar geringem Aufwand kausale Verknüpfungen beim Stanznieten mit Vollniet abzubilden. Mit einer entsprechenden Anzahl und Qualität von Beispieldaten kann mittels PC und Software ein Prozessmodell erzeugt werden, dass im Sinne eines Werkzeuges bzw. Hilfsmittels zur Vorhersage von Verbindungseigenschaften und den dazu erforderlichen Werkzeugdaten nutzbar ist. Im Projekt wurde dies für folgende Fügeaufgaben realisiert:
sortenreine Verbindungen gleicher Fügeteildicke
sortenreine Verbindungen verschiedener Fügeteildicke
Mischverbindungen.
Je mehr Beispieldaten aus bereits gefügten Verbindungen für das Training des neuronalen Netzes zur Verfügung stehen, desto zuverlässiger wird die Netzaussage. Der Abgleich der vom Netz generierten Daten erfolgte mittels experimenteller Überprüfung (Probenerstellung mit generierten Parametern) und per Zugversuch (Abgleich mit generierten Verbindungsfestigkeiten). Im Unterschied zur numerischen Simulation lässt sich das Netz selbst und seine Qualität auf Grundlage vorhandener bzw. laufender Ergänzung von Daten dauerhaft von Anwendern und vom Systemanbieter nutzen. Zur Ergänzung ist das Netz in einem erneuten Lernvorgang zu trainieren. Es ist kein spezielles Expertenwissen zum Netzbetrieb erforderlich, eine Nutzung kann unmittelbar im Produktionsumfeld erfolgen. Das Neuronale Netz belegt die hohe Zuverlässigkeit und Kalkulierbarkeit des Stanznietens mit Vollniet.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Grundlagen für selbst stanzende Schließringbolzen-Systeme sind die numerische Prozessauslegung, Untersuchungen zum Lochen von Doppelblechen, die Analyse des Setzprozesses, das Erweitern des Prozessfensters und die vergleichende Messung der Klemmkraft von Verbindern mit und ohne Zugteil.
Das selbststanzende Verfahren ist hinsichtlich der fügbaren Blechdicke und der Geometrie des durch den Verbinder erzeugten Loches optimiert und mit etablierten Verbindersystemen hinsichtlich Scherzugfestigkeit verglichen worden. Die spielfreie Passung am Verbinderschaft verhindert ein Rutschen der Verbindung vollständig und steigert die zulässige Scherkraft (Streckkraftäquivalent).
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes bilden die Basis für eine industrielle Umsetzung des selbst stanzenden Verfahrens. Außerdem können mit den gewonnenen Erkenntnissen bestehende Systeme, insbesondere hinsichtlich der Klemmkraft, optimiert werden.
Aktualisiert: 2019-10-09
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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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Mehrbereichsvollstanzniete aus den Keramikwerkstoffen ATz 80-20 und Y-TzP wurden auf ihre Eignung zum Fügen von Magnesiumblechen mit anderen Werkstoffen wie Stahl und Aluminium untersucht.
Dabei wurden die Fügepunktausbildungen sowie die erreichbaren Festigkeiten im quasistatischen und dynamischen Bereich mit und ohne Klebstoffeinsatz betrachtet. Von entscheidender Bedeutung war, die Neigung von Magnesium zur galvanischen Korrosion, auch in Verbindung mit einem beispielhaften Lackaufbau aus der Automobilindustrie, zu vermindern.
Mit diesem Verfahren können optimierte Leichtbaukomponenten in Mischbauweise hergestellt werden. Keramikniete erlauben in Kombination mit Klebstoffen eine gute galvanische Trennung der Fügepartner und eine ausreichende Transportfestigkeit der hergestellten Fügeverbindungen
Aktualisiert: 2019-10-09
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Im vorliegenden Bericht wurden die Vorgehensweisen für die experimentelle Ermittlung der Grenzformänderungskurve für Bleche im Dickenbereich von 2,5 bis 5,0 mm erarbeitet. Die Schwerpunkte lagen dabei in der Anpassung der Versuchsparameter, dem Finden eines praktikablen Abbruchkriteriums zur Bestimmung des Versagensbeginns bei der in-process-Auswertung und in Untersuchungen zur bisher festgestellten Verschiebung der Grenzformänderungskurven zu höheren Werten der Formänderung bei zunehmender Blechdicke.
Die gebräuchlichste Vorgehensweise bei der experimentellen Ermittlung der Grenzformänderungskurve stellt das Ziehen unterschiedlich taillierter Probenformen über einen halbkugelförmigen Stempel (Durchmesser 100 mm) dar. Für diesen Versuchsaufbau erfolgte die Anpassung der wichtigsten Versuchsparameter wie Tribologie und Form der Proben, da diese den Werkstofffluss maßgeblich beeinflussen. Für beide konnten Vorgaben erarbeitet werden, die eine erfolgreiche Versuchsdurchführung ermöglichen. Mit dem vorgestellten Versagenskriterium können die durchgeführten Versuchsreihen unkompliziert und reproduzierbar ausgewertet werden. Allerdings ist die Vorgehensweise nicht frei von subjektiven Einflüssen und in dieser Form nicht vollständig mathematisch beschreibbar, so dass eine automatische Auswertung der Versuche auf diese Art nicht möglich ist.
Die Untersuchung des Einflusses der Blechdicke auf die Lage der Grenzformänderungskurve erfolgte anhand der sich ändernden Verhältnisse von Stempeldurchmesser zu Blechdicke in der Form, dass gleiche Werkstoffe mit Stempeln unterschiedlicher Durchmesser (58 mm, 100 mm und 200 mm) geprüft wurden. Für die Versuche mit dem Stempeldurchmesser 200 mm wurde ein spezielles Ziehwerkzeug konstruiert und gebaut, die übrigen Versuche wurden in einer kommerziellen Blechprüfmaschine durchgeführt. Im Ergebnis der durchgeführten Versuchsreihen konnte festgestellt werden, dass Bleche bis zu einer Dicke von 3 mm mit dem halbkugelförmigen Stempel (100 mm Durchmesser) geprüft werden können, bei kleiner werdendem Verhältnis von Stempeldurchmesser zu Blechdicke steigen die Werte der Formänderung sehr stark an.
Unter Berücksichtigung der blechdickenabhängigen Krümmung der Probenoberfläche wurden die Anteile der jeweils überlagerten elastischen Biegung bestimmt und die Ergebnisse um diese reduziert. Die daraus resultierenden Werte zeigen eine deutlich geringere Abhängigkeit vom zugrunde liegenden Verhältnis von Stempeldurchmesser zu Blechdicke. Somit wird ersichtlich, dass die bisher festgestellte blechdickenabhängige Verschiebung der Grenzformänderungskurven maßgeblich von der dem Tiefungsvorgang überlagerten Biegung der Bleche abhängig ist. Dies konnte ebenfalls durch die Ergebnisse der Stichversuche mit dem Marciniak-Stempel belegt werden.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Für den wirtschaftlichen Einsatz der Leistungsultraschalltechnologie soll die Fügekraft im Vergleich zum herkömmlichen Clinchen deutlich reduziert werden. Mit einer für das LUS-Clinchen optimierten Ultraschallanlage von 1kW liegt die Fügekraftreduzierung für ausgewählte Aluminium- und Stahlwerkstoffe bei etwa 30%.
Dadurch können die Clinchwerkzeuge gewichtsoptimiert gestaltet werden und höhere Verfahrgeschwindigkeiten oder flexiblere Einsatzfelder, beispielsweise durch eine Erhöhung der Rachentiefe ermöglichen. Dies führt zu niedrigeren Produktionszeiten mit Kosten- und Wettbewerbsvorteilen.
Die Ultraschallanlage ist in einen am Serienclinchbügel angebrachten Hohlzylinder integriert. So kann der in der Serienfertigung eingesetzte C-Bügel verwendet werden. Mit der eigens entwickelten Steuerungssoftware wird der gesamte Fügeprozess zentral verwaltet. Die Software ermöglicht dem Benutzer das Einstellen sämtlicher den LUS-Clinchprozess betreffender Parameter sowie die Durchführung und Überwachung des Fügevorgangs.
Durch die Einhausung mit Polycarbonatscheiben und die überarbeitete Matrizenhalterung, die unerwünschtes Anregen und Mitschwingen der am Fügevorgang beteiligten Bauteile durch Ultraschall verhindert, kann die durch den Ultraschall verursachte Lärmemission für den Einsatz in industriellen Umgebungen auf das zulässige Maß gesenkt werden.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Es wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem Zr2O3-Y2O3-Keramikpartikel mittels temperaturgeregeltem Laserstrahl-Dispergieren in die Werkstoffe 1.2379 und GJS-700-2 eingebracht werden, um eine Verringerung der Reibung sowie eine Erhöhung der Werkzeugstandzeit bei der Blechumformung von Al- und hochfesten Stahlblechen zu erreichen. Hierzu wurde anhand zahlreicher Versuche am LZH ein Prozessparameterfeld zum Laserstrahl-Dispergieren ermittelt. Anschließend fand eine Übertragung des Verfahrens auf Modell- und Praxiswerkzeuge statt, die bei den weiteren Projektpartnern auf ihr Verschleißverhalten untersucht wurden.
Die Umformversuche wurden unter praxisrelevanten Bedingungen am Institut für Produktionstechnik der TU Dresden durchgeführt und die Modellwerkzeuge hinsichtlich ihres Verschleißverhaltens vergleichend charakterisiert. Durch diesen systematischen Vergleich der Werkzeug- und Werkstückcharakteristiken hinsichtlich des Verschleißverhaltens bzw. der Werkstückqualität wurde die Leistungsfähigkeit der einzelnen Werkzeugalternativen
(GJS-700-2/1.2379) bewertet. Davon ausgehend kann festgestellt werden, dass besonders bei Edelstählen und Aluminiumlegierungen mit einer Vervielfachung der Lebensdauer bei gleichzeitiger Verminderung der Reibung durch das Dispergieren von Keramikpartikeln gerechnet werden kann. Nachgewiesen wurde dieses für den 1.2379 bei der Kombination 1.4301 / Multidraw KTL N 60 und für den GJS-700-2 bei der Kombination 6181A / Drylube C1. Bei den Kombinationen GJS-700-2 / H280 LA + ZE / Multidraw PL61 und 1.2379 / CP-W 800 / Multidraw KTL N 60 kommt es durch das Dispergieren von Keramikpartikel bei geringen Flächenpressungen zu sinkenden Reibwerten. Nach Prüfung der Werkzeugalternativen wurden an ausgewählten Werkstoffvarianten Standmengenuntersuchungen auf der Stanz-Nibbel-Maschine durchgeführt. Nach 50000 Hüben kann noch keine eindeutige Aussage zum Verschleißverhalten und zur Standmenge getroffen werden. Das dispergierte Praxiswerkzeug ist bei einem Unternehmen im Serieneinsatz und bis zum Projektende nicht ausgefallen.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Das mechanische Fügen besitzt seit einigen Jahren einen festen Stellenwert unter allen Fügetechnologien. Neben vielen Vorteilen des Clinchens besteht ein wesentlicher Nachteil in der geometrischen Ausbildung der Verbindung, die keine einseitig ebene Verbindungsseite aufweist und deshalb für das Fügen an Funktionsflächen, wie z. B. zum Anlegen, Gleiten oder Abdichten sowie an Sichtflächen nur einen beschränkten Einsatz findet. Ziel des Projektes war daher die Entwicklung und systematische Untersuchung einer Technologie zur Herstellung von Flachpunktverbindungen durch Einsatz einer radial überlagerten Vorschubbewegung, welche die Nachteile der bestehenden Verfahren Radialclinchen (matrizenseitige Erhabenheit) und linear gefügter Flachpunkt (hohe Fügekräfte) beseitigen soll.
Zunächst wurden die maschinentechnischen Versuchseinrichtungen aufgebaut sowie die Prozessparameter dieser neuen Technologie theoretisch analysiert. Eine große Anzahl von Einflussgrößen wurde determiniert, die eine multifaktorielle Wirkung auf den Fügeprozess zeigen, d. h. einzelne Einflussgrößen können nur bedingt unabhängig voneinander betrachtet und deren separate Auswirkungen auf die Herstellung der Flachpunktverbindungen untersucht werden. Vielmehr muss ein stetiger Optimierungsprozess erfolgen, der abhängig von der jeweiligen Fügeaufgabe (Werkstoffe und Blechdicken) ist. Wesentliche Einflussgrößen auf den Prozess sind dabei die Bodendicke der Verbindung, die Stempelfüge- und die Niederhalterkraft sowie die Stempel- und Niederhaltergeometrien. Besonders letztere ermöglicht durch eine gezielte Behinderung des Werkstoffflusses mit ringförmigen Konturen auf der Stirnfläche des Niederhalters die Ausbildung von Hinterschneidungen im Werkstoff.
Es wurden die Fügbarkeitsregeln „hart in weich“ und „dünn in dick“ für dieses Verfahren aufgestellt, bei denen der Werkstoff mit geringerer Fließgrenze und größerer Blechdicke ambossseitig anzuordnen sind, um den Werkstofffluss innerhalb der Verbindung zu begünstigen. Die Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften der Flachpunktverbindung zeigen bei Ausbildung einer überwiegend form- und kraftschlüssigen Verbindungscharakteristik gute Festigkeitswerte unter Scherzugbeanspruchung. Für Schälzugbeanspruchungen treten aufgrund des kleiner ausgebildeten Hinterschnitts geringere Festigkeiten auf.
Der wesentlichste Vorteil bei Anwendung der radial überlagerten Bewegung gegenüber dem Fügen mit linearer Kinematik ist in einem deutlich reduzierten Kraftaufwand (um durchschnittlich 50 %) bei der Herstellung der Flachpunktverbindungen messbar. Eine gegenüber dem linearen Fügen deutlich verbesserte Werkstoffflusssteuerung durch die radial überlagerte Fügekinematik konnte nicht festgestellt werden. Es haben sich aber deutliche Vorteile zur Herstellung von Kaltpressschweißbereichen ermitteln lassen, deren Ursache in der inkrementellen Umformung des Werkstoffes liegt. Diese bewirkt ein starkes Aufreißen und Zerkleinern der Oxidschichten und damit eine großflächige Metallbindung insbesondere im Bodenbereich der Verbindung.
Mit den durchgeführten Untersuchungen erfolgte der Nachweis, dass einseitig ebene, mechanisch gefügte Verbindungen für verschiedene Aluminium- sowie Stahlfeinbleche bei artgleicher und artungleicher Werkstoffkombination mit diesem Verfahren herstellbar sind. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die untersuchte Fügekinematik mit radial überlagerter Vorschubbewegung des Stempels sich für Herstellung von Flachpunktverbindungen eignet.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Insbesondere die Automobilhersteller werden durch die steigenden Forderungen zur Verringerung des Schadstoffausstoßes und der Möglichkeit des Recyclings der verwendeten Werkstoffe von Verkehrsmitteln veranlasst, durch Leichtbau Einsparungen im Gewicht zu erreichen, wodurch wiederum der Kraftstoffverbrauch und damit der Schadstoffausstoß verringert werden kann. Der Einsatz leichter Werkstoffe und Werkstoffkombinationen aber bedingt die Verwendung neuer innovativer Fügetechniken, da die bisher als Standard verwendeten Fügetechniken wie beispielsweise das Punktschweißen sich nur eingeschränkt verwenden lassen. Eine geeignete innovative Fügetechnik ist das Stanznieten mit Halbhohlniet, welche sich in vielen Bereichen der Blechverarbeitung mehr und mehr etabliert.
Ziel der durchgeführten Untersuchungen war es, durch ein zu entwickelndes Ersatzmodell der Stanznietverbindung eine Möglichkeit zur Berechnung von stanzgenieteten Aluminiumbauteilen zu schaffen. Mittels experimenteller und numerischer Untersuchungen an KS2-Proben konnten durch verschiedene Parametervariationen wie die Veränderung des Belastungswinkels, der Blechdicke, der Fügerichtung, der Probenbreite und der Probenform die Einflüsse auf die Verbindungsfestigkeit und Lebensdauer berücksichtigt werden, so dass das Auslegungsverfahren auf komplexe Bauteile übertragbar ist.
Anhand der Projektergebnisse wird eine Handlungsanweisung gegeben, wie eine Auslegungsmethode mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode durchgeführt werden kann. Die im Rahmen dieses Projektes vorgestellte Methode zur Simulation des mechanischen Verhaltens der Stanznietverbindung ermöglicht die rechnerische Bestimmung der Fügelementsteifigkeit sowie eine Vorhersage der Lebensdauer, somit wird die Möglichkeit gegeben, Stanzniete nach Anzahl und Ort optimal einzusetzen und somit das Potential dieser Fügetechnologie voll auszuschöpfen.
Durch diese rechnergestützte Konstruktion und Optimierung von stanzgenieteten Strukturen sind deswegen zeitliche und finanzielle Einsparungen bei der Produktentwicklung zu erwarten. Des weiteren sind die Projektergebnisse insbesondere für kleine und mittlere Betriebe im Bereich der Automobilzulieferindustrie von hoher wirtschaftlicher Bedeutung, da diese mit den Ergebnissen Innovationen realisieren können, die einen Beitrag zum Leichtbau leisten.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Clinchverfahren sind zum prozesssicheren Verbinden von zwischenstufenvergüteten Stahldünnblechen mit Stahlblechen in Tiefziehqualität bzw. mit höherfesten Stahlblechen geeignet. Das im Rahmen des Projektes untersuchte Clinchsystem A (Rundpunkt mit geschlossener Matrize) eignet sich besser zur Verarbeitung von Bauteilen aus PT120 als das untersuchte Clinchsystem B mit sich öffnender Matrize. Ursache hierfür ist der unterschiedliche Werkstofffluss bei der Punktausbildung.
Bei den untersuchten Werkstoffkombinationen wurde das empfohlene Blechdickenverhältnis (nach DVS/EFB 3420) t1/t2>0,5 deutlich unterschritten. Der Nachweis wurde erbracht, dass Materialen mit einer Zugfestigkeit >700MPa clinchbar sind, wobei das dünnere und festere Material stempelseitig anzuordnen ist. Zwischenstufenvergütete Stahldünnbleche sollten eine Bruchdehnung von 9% aufweisen, um sie durch Clinchen mit anderen Stahlblechen prozesssicher und reproduzierbar zu verbinden.
Bei Überprüfung der Praxistauglichkeit der unter Laborbedingungen erzielten Ergebnisse zeigte sich, dass bei der Verarbeitung von PT120 in Seriensetzeinrichtungen die Fügeteile beölt verarbeitet werden sollten, um eine Selbstzentrierung der Setzwerkzeuge zu erzielen und eine rissfreie Punktausbildung zu gewährleisten.
Stichversuche zur Reduktion der Fügekräfte mittels Clinchen mit überlagerter Bewegung (Radialclinchen) belegen, dass die zur Punktherstellung notwendige Fügekraft beim Radialclinchen um ca. 50% geringer ist.
Die Anwendbarkeit alternativer Fügeverfahren (Stanznieten mit Halbhohlstanzniet) wurde nachgewiesen.
Untersuchungen zum Clinchen-Kleben belegten, dass sich der Klebstoff zwischen den Fügeteilen sich nicht negativ auf die Punktausbildung auswirkte, was sich in den Verbindungsfestigkeiten der geclinchten Kleb-Proben im unausgehärteten Zustand zeigt. Trotz Klebstoff zwischen den Fügeteilen sind identische Verbindungsfestigkeiten im quasistatischen Scher- und Schälzug im unausgehärteten Zustand des Klebstoffes im Vergleich zu den Proben ohne Klebstoff zu verzeichnen. Die Handlingsfestigkeit der geclinchten Kleb-Proben im unausgehärteten Zustand wurde nachgewiesen.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Mehrbereichsvollstanzniete zeichnen sich gegenüber den Standardvollstanznieten aus verbindungstechnischer Sicht durch Vorteile bezüglich verbessertem Arbeitsaufnahmevermögen insbesondere unter quasistatischer Scherzugbelastung von Überlappverbindungen aus. Unter stoßartiger Belastung geprüfte Probenkörper zeigen ein analoges Verhalten.
Die unter dynamisch schwellender Belastung geprüften Verbindungen mit Mehrbereichsvollstanzniet weisen verfahrensbedingt eine im Wöhlerdiagramm im Vergleich zu mit Standardvollstanzniet gefügten Verbindungen geringere Zeitstandfestigkeit auf. Mit der Anordnung mehrerer Nuten entlang des Nietschaftes wird die definierte Formschlussausbildung sowohl für unterschiedliche Fügeteileinzel- und / oder gesamtdicken als auch Fügeteilfestigkeiten in weiten Grenzen gewährleistet. Fügeparameter und Matrizengeometrie bleiben dabei unverändert, was unmittelbar zur Verringerung des logistischen Aufwandes (je nur 1 Vollstanzniet, 1 Matrize und 1 Fügeparametersatz) beim Vollstanznieten mit Mehrbereichsniet führt.
Dieses spezifische Merkmal des Mehrbereichsvollstanznietes erlaubt problemlos den Ausgleich von unterschiedlichen Fügeteildicken, wie sie bei Aluminium-Druckgussteilen und stark umgeformten Fügeteilen typisch sind.
Auch bei ungünstigen Umformeigenschaften der Fügepartner treten keine Schädigungen von Vollstanzniet und Fügeteilwerkstoff im Sinne von Rissen und Deformationen auf. Für erstmals untersuchte Aluminium-Mehrbereichsvollstanzniete wurde deren alternative Anwendbarkeit für Aluminium-Fügeteile nachgewiesen. Wobei die materialbedingten Verfahrensgrenzen signifikant enger als die des vergleichbaren Stahl-Mehrbereichsvollstanznietes gefasst werden. Damit besteht prinzipiell die Möglichkeit Aluminiumkonstruktionen sortenrein mechanisch zu fügen. Nach korrosiver Belastung zeigen sich alle untersuchten Verbindungstypen hinsichtlich quasistatischer Verbindungsfestigkeit unverändert zum Ausgangszustand ohne Korrosion.
Aktualisiert: 2019-10-09
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Der flächenhafte Vergleich und die Analyse von simulierten und gemessenen Geometriedaten bei der Umformung großer Blechbauteile waren Ziel des Forschungsvorhabens.
Es erfolgte die Vorentwicklung einer Messmaschine zur dreidimensionalen Vermessung von Ziehteilen der Größe bis 900x500x200 mm3. Die dabei erreichbaren Genauigkeiten liegen in horizontaler Richtung bei ca. 0,1 mm, in vertikaler Richtung bei ca. 0,2 mm. Die Arbeitsweise beruht darauf, dass die Oberfläche des Ziehteiles segmentweise mit einem photogrammetrischen Messkopf abgefahren wird und die dabei eingezogenen Aufnahmen zu einem Gesamtprojekt zusammengefügt werden. Der wesentliche Vorteil dabei ist der, dass einzelne, nicht zusammenhängende Bereiche, vermessen werden können, ohne die dazwischen liegenden Segmente erfassen zu müssen. Somit kann die Bearbeitungszeit- und Rechenzeit wesentlich reduziert werden.
Mit dem vorgestellten Konzept werden kleine und mittelständische Unternehmen in die Lage versetzt, in der Werkzeugerprobung und stichprobenartig während der Produktion schnell Blechformteile flächenhaft dreidimensional zu vermessen. Es sind dazu keine speziellen Messlehren erforderlich, die die Blechteile durch Aufbringen von Spannkräften erst in eine bestimmte Form zwingen. Weiterhin können mit der gleichen Messeinrichtung lokale Formänderungen zur Einschätzung von Ziehreserven, zur Beurteilung des Werkstoffflusses und der Analyse von Versagensfällen an den umgeformten Teilen ermittelt werden. Das ist sowohl im Werkzeug-Tryout sinnvoll, als auch in gewissen Abständen im Produktionsprozess beim Auftreten großer Chargenschwankungen oder bei Werkzeugverschleiß.
Aktualisiert: 2022-02-08
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