Aufgrund steigender Anforderungen an die CO2-Emmisionen von Kraftfahrzeugen gewinnt der Karosserieleichtbau weiter an Bedeutung. Dabei bedingt ein effizienter Leichtbau den Einsatz von Mischbauweisen. Die Verbindung der verschiedenen Werkstoffe stellt die Fügetechnik vor neue Herausforderungen, insbesondere beim Fügen von Aluminiumlegierungen mit pressgehärtetem Stahl. Um dieser Fügeaufgabe auch in korrosiv belasteten Bereichen gerecht zu werden, ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung des Prägeelementschweißens. Dazu wird ein neuartiges Hilfsfügeteil entwickelt, das den Anforderungen an Herstellbarkeit, Zuführbarkeit und Fügbarkeit gerecht wird. Die Anpassung der Setzwerkzeuge erfolgt mithilfe einer finiten Elemente basierten Prozesssimulation. Zum Abschluss der Verfahrensentwicklung werden die optimalen Parameter für das Prägeelementschweißen ermittelt, sowie die Tragfähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit überprüft. Um einer automobilen Serienfertigung gerecht zu werden, erfolgt die Bewertung von Delta-Alpha und Störgrößeneinflüssen auf die Verbindung. Die Untersuchungen verdeutlichen das Potenzial des Prägeelementschweißens, Aluminiumlegierungen und pressgehärteten Stahl in korrosiv belasteten Bereichen zu verbinden.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Die gestiegenen Anforderungen an industrielle Produkte hinsichtlich ihrer Funktionalität sowie gewichtsbezogenen mechanischen Eigenschaften bedingen den Einsatz maßgeschneiderter Werkstoffe und komplexer Geometrien. Speziell mechanische Fügetechnologien finden durch die Verwendung neuer Werkstoffe und deren Kombinationen sukzessive Einzug in die Industrie. Eines der wichtigsten mechanischen Fügeverfahren ist das Clinchen.
Durch den Einsatz einer rotierenden Werkzeugbewegung beim Clinchen können Bauteile mit gleichbleibend hoher Geschwindigkeit verbunden werden. Für eine erfolgreiche Umsetzung des Verfahrens im industriellen Maßstab fehlen Aussagen zum Einfluss von Prozess- und Werkzeugparametern auf die Eigenschaften der Fügeverbindung. Die Belastungen der Werkzeugaktivelemente unbekannter Höhe erschweren die Auslegung von Werkzeugen und Anlagen. Diese Arbeit verfolgt daher das Ziel, diese Lücken zu schließen und ein tiefgehendes Prozessverständnis für das Rotationsclinchen zu schaffen. Die in Relation zum Hubclinchen erzielten vergleichbaren mechanischen Eigenschaften bei reduzierten Fügekräften und konstant hoher Ausbringungsrate belegen das hohe wirtschaftliche Potential des Rotationsclinchens.
Aktualisiert: 2020-06-30
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Hochmanganhaltige TWIP-Stähle bieten aufgrund ausgezeichneter Festigkeitskennwerte in Kombination mit einer großen Duktilität hervorragende mechanische Eigenschaften für den Werkstoffleichtbau von Automobilkarosserien. Der erfolgreiche Einsatz thermischer Fügeverfahren ist jedoch nur mit einer sehr komplexen Prozessführung möglich. Bei Mischbauverbindungen stoßen thermische Fügeverfahren an ihre Grenzen, sodass keine Verbindungsausbildung möglich ist.
In dieser Arbeit sind anhand der Fügeverfahren Clinchen, Halbhohlstanznieten und Vollstanznieten effiziente Möglichkeiten für das Verbinden von hochmanganhaltigen TWIP-Stahllegierungen mit, im automobilen Karosseriebau etablierten, hochfesten Stahlgüten sowie einer exemplarischen 6000’er Aluminiumknetlegierung aufgezeigt.
Dabei werden die Fügeprozesse analysiert, um relevante Effekte bei der Verbindungsausbildung zu identifizieren und Parameter so zu modifizieren, dass ein tragfähiger Fügeverbund entsteht. Mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung wird die Optimierung einer Clinchverbindung aufgezeigt. Der positive Nutzen wird anhand von Schliffbildern und Tragfähigkeitsuntersuchungen nachgewiesen.
Um die Fähigkeit des Clinchens für eine Serienanwendung mit einer hohen Fügepunktanzahl zu untersuchen, wird ein Standmengenversuch durchgeführt.
Die Tragfähigkeit wird anschließend mit quasistatischen und dynamischen Untersuchungen bewertet. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden Empfehlungen für den Anwender formuliert.
Aktualisiert: 2020-01-27
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Umformverfahren stellen eine kostengünstige und zuverlässige Art der Bauteilherstellung dar und sind ein wesentlicher Bestandteil in der heutigen Industrie. Im Herstellungsprozess kommt es in nahezu allen Verfahren zur Ausbildung von Eigenspannungen in den Werkstücken, die zum Beispiel aus einer inhomogenen plastischen Verformung des Werkstoffs resultieren. Aktuell bleiben diese Eigenspannungen in den umformtechnisch hergestellten Produkten weitestgehend ungenutzt oder werden durch eine nachträgliche Wärmebehandlung reduziert, da sie zu ungewollten Maßabweichungen führen können.
Weiterhin ist der Trend zu einer Erhöhung der Funktionsintegration in Strukturbauteilen zu beobachten, was ein hohes Potential hinsichtlich des wirtschaftlichen Nutzens von Bauräumen und Leichtbau bietet. Hierzu sind jedoch zusätzliche Fügeprozesse notwendig, die den produktionstechnischen Aufwand bei der Profilherstellung erhöhen können.
Die wissenschaftliche Arbeit befasst sich mit der kontinuierlichen Fertigung verzweigter Leichtbauprofile aus hochfestem Stahlwerkstoff durch das inkrementelle Umformverfahren Spaltprofilieren. Dabei soll die Möglichkeit einer kraftschlüssigen Integration zusätzlicher Funktionselemente durch Ausnutzen des Eigenspannungszustands im verzweigten Leichtbauprofil in einem simultan ablaufenden Umform- und Fügeprozess untersucht werden.
Aktualisiert: 2020-01-27
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Diese Arbeit verfolgt das Ziel, die Stanzniettechnologie zielgerichtet für das werkstoffgerechte Fügen von FKV-Metall-Verbindungen weiterzuentwickeln, um Materialschwächungen zu minimieren und die Fügeeignung insgesamt zu verbessern. Dazu wurden die schädigungsauslösenden Mechanismen der Fügeverfahren Vollstanznieten und Halbhohlstanznieten analysiert und Optimierungsstrategien abgeleitet. Eine Element- und Verfahrenskombination beider Fügetechnologien stellte sich in diesem Zusammenhang als zielführend heraus. Der Nachweis der Schädigungsreduzierung durch den neu entwickelten Stanzniet erfolgte anhand einer Quantifizierung der induzierten Defekte mittels Ultraschall sowie der Ermittlung der Restdruckfestigkeit der FKV-Werkstoffe. Mithilfe einer Anpassung der Prozessparameter und der Werkzeuggeometrien wurde eine Verbesserung der Verbindungsausbildung erreicht und insgesamt das Spektrum an fügegeeigneten Werkstoff-Geometrie-Kombinationen erweitert. Die gefügten Verbindungen wurden abschließend in verschiedenen Prüfszenarien mechanisch charakterisiert.
Aktualisiert: 2020-01-15
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Der Schneidclinchprozess wurde in seinen Teilbereichen des Fügeprozessablaufs, der geometrischen Fügezonenmerkmale und der Tragfähigkeit der Clinchverbindungen untersucht. Dabei unterstützte vor allem die numerische Simulation des Fügeprozessablaufes, Aspekte des Verfahrens zu untersuchen, die im Experimentellen verborgen geblieben wären. In der Charakteristik des Prozessablaufes konnten werkzeug- und fügeteilseitige Einflussfaktoren aufgedeckt werden. Besonders die numerische Abbildung des Fügeprozessablaufes hat die Mechanismen der einzelnen Aktivelement-Kinematiken aufzeigen können. Diese Erkenntnisse können einer in situ Prozessüberwachung helfen, einen fehlerhaften Fügeprozessablauf zu erkennen. Die Simulation mit implementiertem, makromechanischem Bruchkriterium konnte Effekte beschreiben, die im Experiment nicht abbildbar sind. Als analytische Methode, um die Werkstoffverdrängung durch Werkzeuganpassung aus der Fügezone beschreiben zu können, dient das mittels CAD definierte Fügevolumen, mit dem die Wirksamkeit einer Deformationsreduktion nachgewiesen werden kann. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen hat sich vor allem gezeigt, dass die Schneidclinchverbindungen vergleichbare Belastungen wie Clinchverbindungen mit Vorloch ertragen können. Mit den Untersuchungen zur Verdrehsicherheit der Verbindung wurde eine Methode zur Bewertung ihrer Handhabungsbelastungsfähigkeit entwickelt.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Die zunehmende Mischbauweise in der Automobilproduktion erfordert den Einsatz von Fügeverfahren wie dem Halbhohlstanznieten. Auf Grund der großen Anzahl zu fügender Werkstoffdickenkombinationen steht eine Vielzahl verschiedener Niete und Matrizen zur Auswahl, von denen eine möglichst geringe Anzahl eingesetzt werden soll. Die Verbindungsauslegung ist daher sehr zeitaufwendig. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Arbeit eine Vorgehensweise entwickelt, welche mittels Datenbankauswertung, FE-Simulation und Optimierung eine automatisierte Variantenreduzierung ermöglicht. Zum Erreichen dieses Ziels wurde zunächst ein valides FE-Modell zur Simulation des Halbhohlstanznietens aufgebaut sowie Parameter für verschiedene Verbindungen ermittelt und in einer Datenbank gespeichert. Anschließend wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher vor dem Hintergrund der Variantenreduzierung den zu fügenden Werkstoffdickenkombinationen datenbankbasiert Niet-Matrizen-Kombinationen zuordnet und diese Auswahl mittels FE-Simulation validiert. Die variablen Parameter des Algorithmus wurden zuvor mittels Sensitivitätsanalysen ermittelt. Zur Verbesserung der vorausgewählten Niet-Matrizen-Kombinationen schloss sich eine Optimierung der Verbindungen an. Der Algorithmus wurde in eine bedienerfreundliche Software umgesetzt, welche es dem Anwender ohne vertiefende Expertise auf dem Gebiet der FE-Simulation ermöglicht, Verbindungen virtuell auszulegen. Die Validierung der entwickelten Vorgehensweise erfolgte an Hand von zehn Werkstoffdickenkombinationen. Für diese konnte die Variantenanzahl und die Arbeitsdauer, bezogen auf das experimentelle Ergebnis, reduziert werden.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Die Mischbauweise stellt eine Möglichkeit dar, insbesondere im Automobilbau, aber auch in anderen Industriezweigen Leichtbau zu betreiben. Dazu werden verschiedenartige Werkstoffe miteinander kombiniert. Vorzugsweise handelt es sich um Kombinationen aus faserverstärkten Kunststoffen und Leichtmetallen. Nach dem Motto “Der richtige Werkstoff am richtigen Ort” können so belastbare und gleichzeitig leichte Konstruktionen realisiert werden. Eine große Herausforderung besteht dabei jedoch im Fügen solch unterschiedlicher Werkstoffe. Aufgrund großer Unterschiede in Bindungsart und Schmelztemperatur sind klassische Fügeverfahren nicht anwendbar. Zum Verbinden von Metallen mit Faser- Verbund-Werkstoffen (FKV) wurden deswegen vorhandene Technologien adaptiert oder neue entwickelt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde mit dem modifizierten Blindnieten ein neuer Lösungsansatz entwickelt, der sowohl mechanische als auch thermische Fügeverfahren miteinander kombiniert. Dazu wird ein rotierender Blindniet in sich überlappende Bleche getrieben und das darunter liegende Material unter Ausbildung einer Hülse aus dem Oberblech verdrängt. Anschließend wird der Niet ausgeformt und der Prozess ist abgeschlossen. Durch die Reibwärme wird die thermoplastische Matrix des FKV geschmolzen und die Fasern werden beweglich und können verdrängt werden. Dadurch kommt es zu einer geringeren Faserschädigungen und es können Delaminationen komplett vermieden werden. Untersuchungen wurden vorzugsweise an Materialkombinationen in Mischbauweise durchgeführt. Es wurden Aluminium- und Magnesiumbleche mit verschiedenen FKV mit Glas- oder Kohlefaserverstärkung gefügt. Für eine große Anwendungsbreite wurden ebenso Verbindungen von mehreren Metallblechen untersucht. Alle Kombinationen konnten so gefügt werden, dass in relativ kurzer Prozesszeit eine qualitativ hochwertige Verbindung entsteht. Mit einer geeigneten Parameterwahl sind Fügezeiten unter drei Sekunden möglich. Die mechanisch technologischen Gütewerten zeigen, dass mittels modifiziertem Blindnieten hergestellte Verbindungen mindestens die gleiche Lasten aufnehmen können, wie konventionelle Verfahren. Unter Scherbelastung kann die Belastbarkeit um bis zu 68 % gesteigert werden. Es hat sich gezeigt, dass mit dem neuen Verfahren eine wirtschaftliche Lösung für den Mischbau zur Verfügung steht.
Aktualisiert: 2021-09-10
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Punktförmige Verbindungen, wie das Clinchen, bieten vorteilhafte Eigenschaften und werden in zunehmendem Maße in der Dünnblech verarbeitenden Industrie für metallische Verbindungen eingesetzt. Sie spielen gegenwärtig für Metall-Kunststo?-Verbindungen eine untergeordnete beziehungsweise gar keine Rolle. Dies ist wahrscheinlich der Tatsache geschuldet, dass Kunststo?e aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften ungeeignet für das Clinchen scheinen.
In der vorliegenden Dissertation werden die Grundlagen für das Clinchen von Metall-Kunststo?-Verbindungen erarbeitet und quali?ziert, so dass es möglich ist, damit eine Verbindung dieser Werksto?e reproduzierbar herzustellen. Im Speziellen werden Prozessmerkmale und mechanische Verbindungseigenschaften des Clinchens von Metall-Kunststo?-Verbindungen sowie der Feuchtigkeitsein?uss des Kunststo?fügepartners und der Einfluss von Wärme vor und/oder nach dem Fügen untersucht.
Aktualisiert: 2019-12-12
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