Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Fügen von Strukturbauteilen aus hochfesten Aluminiumknetlegierungen durch Vollstanznieten aus höchstfesten Aluminiumlegierungen

Das beantragte Forschungsvorhaben hat zum Ziel den Anwendungsbereich von Vollstanznieten aus Aluminiumlegierungen (Al-VSN) signifikant zu erweitern. Dieses Ziel soll durch eine Kombination aus werkstofflicher sowie geometrischer Anpassung der Al-VSN erreicht werden.

Eine Herausforderung liegt insbesondere in der Auswahl geeigneter Wärmebehandlungsverfahren für die zu untersuchenden Aluminiumlegierungen um die Festigkeit der Al-VSN signifikant zu steigern. Die Untersuchungen zur Gefügeentwicklung sowie benötigter Prozessparameter bei der Wärmebehandlung werden vom Lehrstuhl Werkstoffkunde der Universität Rostock mit Hilfe von Kalorimetern der neusten Generation durchgeführt. Somit können exakte Daten für Hersteller von Al-VSN bereitgestellt werden, die ihr Produktportfolio dadurch signifikant erweitern können.

Die Geometrieoptimierung von Al-VSN soll als weiterer Ansatzpunkt genutzt werden, um die Prozesskräfte herabzusetzen, Al-VSN robuster gegenüber Prozessunregelmäßigkeiten zu machen und somit die Prozessgrenzen zu erweitern. Diese Untersuchungen werden am Fraunhofer Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik in Rostock durchgeführt. Ein Großteil der Versuche wird dabei mit Hilfe der Finiten Elemente Methode durchgeführt. Zur Verifizierung der Ergebnisse stehen moderne Werkzeuge mit industriellen Prozessüberwachungssystemen bereit. Weiterhin verfügt das Fh-AGP über Werkzeugmaschinen, die zur Fertigung von optimierten Al-VSN genutzt werden können.

Die erzielten Ergebnisse können Endanwendern helfen ihre Prozesse bei der Verarbeitung von Al-VSN zu optimieren sowie das Tragverhalten der Verbindung besser abzuschätzen. Insbesondere für KMU ergeben sich durch innovative Al-VSN signifikante Vorteile, da die Prozessgrenzen bei der Verarbeitung erweitert werden, sich verbesserte Korrosionseigenschaften der Bauteile ergeben, die Leichtbauphilosophie noch konsequenter angewendet werden kann sowie die Recyclingeigenschaften der Produkte verbessert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Als zentrales Ergebnis des Forschungsvorhabens wurde ein Vollstanzniet aus Aluminium (Al-VSN) entwickelt, mit dem hochfeste Aluminiumlegierungen gefügt werden können.

Dazu wurden werkstofftechnische Untersuchung erfolgreich angewendet, mit dem Ziel einen Nietwerkstoff zu erhalten, der über eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig ausreichender Duktilität verfügt. Gleichzeitig wurde mittels numerischer Simulation eine gezielte geometrische Optimierung durchgeführt, die zu einer optimalen Nietbeanspruchung führt.

Insgesamt konnte eine maßgebliche Erweiterung der Einsatzgrenzen von Al-VSN sowohl hinsichtlich der maximal Gesamtblechdicke als auch hinsichtlich der maximalen Festigkeit der fügbaren Werkstoffe erzielt werden. Die fügbare Gesamtblechdicke der Legierung EN AW-6111 PX konnte auf bis zu 4,0 mm gesteigert werden. Zudem ist es erstmals möglich die Legierung EN AW-2024 T351 in einer Gesamtblechdicke von 2,6 mm mit einem Vollstanzniet aus Aluminium zu fügen.

Die Erweiterung der Prozessgrenzen verstärkt die Etablierung des Vollstanznietens als kosteneffizientes und bedarfsgerechtes Fertigungsprozesses und erweitert gleichzeitig den Anwendungsbereich des Fügeverfahrens. Mehrkosten und zusätzlicher Arbeitsaufwand für Korrosionsschutzmaßnahmen, Vorloch- und Positionieroperationen können so minimiert werden.

Darüber hinaus ist es mithilfe der modellierten numerischen Simulationen möglich, eine Vielzahl verschiedener Geometrievariationen zu untersuchen, Vorzugsvarianten herauszustellen und grundlegende Abschätzungen der Fügepunktausprägungen zu ermitteln. Dies befähigt Unternehmen ihren experimentellen Aufwand zu minimieren und somit Kosten und Zeit einzusparen

Zusammenfassend können mit den Erkenntnissen Leichtbaustrukturen effizienter und gewichtsparender entwickelt, gefügt und schlussendlich besser recycelt werden, welches die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen im Bereich des Fügens von Strukturen aus Aluminiumlegierungen mit Al-VSN erhält und steigern kann.