Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Clinchverfahrens für thermoplastische FKV in Mischbauweise

Mischbauweisen mit Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) und Metallen bieten ein hohes Potenzial zur Massereduktion im Karosseriebau, welches aber nur durch geeignete Fügeverfahren ausgeschöpft werden kann. Hochfeste Klebverbindungen sind zwar für FKV etabliert, erfordern jedoch bisher eine aufwändige Fixierung während des Aushärteprozesses. Ein Lösungsansatz sind kombinierte mechanisch/klebtechnische Hybridfügeverfahren, bei denen das mechanische Fügen vorrangig der Fixierung während des Herstellprozesses dient, die Klebverbindung die eigentliche Verbindungsfestigkeit realisiert.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll im Sinne einer hohen Material- und Prozesseffizienz ein einstufiges, vorloch- und hilfsfügeteilfreies, thermisch unterstütztes Hybridfügeverfahren als Fixiermethode bei der mechanisch-klebtechnischen Herstellung von FKV-Metall-Verbunden entwickelt werden. Als Ergebnis liegt fundiertes Wissen zu Herstellung und Eigenschaften der neuartigen Verbindungstechnik vor. Dank der innovativen Methodik zur Simulation von Fügeprozess und Verbindungsfestigkeit wird eine signifikante Kosten- und Entwicklungszeitreduzierung im Rahmen von Produktneu- und -weiterentwicklungen erreicht.

Das geplante Forschungsvorhaben adressiert vor allem Hersteller von FKV-Metall-Mischverbindungen, die häufig den KMU zuzuordnen sind. Darüber hinaus werden KMU des Fahrzeugbaus, aber auch des Maschinen- und Anlagenbaus, welche bisher vorwiegend reine Metallblechkonstruktionen anbieten, durch die Forschungsergebnisse befähigt, zukunftsweisende Multi-Material-Leichtbauweisen anzuwenden. Unternehmen des Werkzeug- und Anlagenbaus erhalten das notwendige Wissen, um anwendungsgerecht gestaltete Clinchwerkzeuge und Fügezangen für Mischverbindungen mit FKV bereitzustellen. Den adressierten Unternehmen erschließen sich so branchenübergreifend nationale und internationale Wettbewerbsvorteile in den Lieferantenbeziehungen mit OEMs im Automobil- und Luftfahrtsektor sowie im allgemeinen Maschinenbau.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein neuartiges Clinchverfahren zum einstufigen, hilfsfügeteilfreien Fügen von Metall-FKV-Bauteilen entwickelt, welches auf einer zweigeteilten Matrize, bestehend aus starrer Außenhülse und einem darin federnd gelagerten Matrizenamboss sowie einer werkstoffgerechten Erwärmungsmethode basiert. Im Rahmen einer Parameterstudie zur Identifikation optimaler Werkzeugeinstellungen sowie der experimentellen Entwicklung eines geeigneten Werkzeugsatzes und eines Erwärmungskonzeptes zur prozessbegleitenden, lokalen Erwärmung des FKV, konnten Werkzeugparameter, welche das Fügeergebnis sensitiv beeinflussen identifiziert werden. Im Projekt abgesteckte Parameterräume ermöglichen es mit einem Werkzeugsatz mehrere Materialkombinationen unterschiedlicher Festigkeit prozesssicher zu fügen. Ferner konnte das Erwärmungskonzept derart weiterentwickelt und integriert werden, dass eine reproduzierbare, prozessbegleitende Erwärmung des FKV ermöglicht wurde. Durch die parallel durchgeführten Struktur- und Schädigungsanalysen mittels CT-Untersuchungen und lichtmikroskopischen Aufnahmen konnten einzelne Effekte der Verbindungsausbildung analysiert und das Werkstoffverhalten während des Fügeprozesses umfassend beschrieben werden. Die Ermittlung der Verbindungseigenschaften des neuartigen Fügeverfahrens erfolgte abschließend umfassend an Zugprüfungen unter quasistatischer, zyklischer und statischer Belastung. Im Hinblick auf die simulative Prozessgestaltung wurde eine Simulationsmethodik entwickelt, die zum einen eine schnelle Vorauslegung ermöglicht und zum anderen detailliert die resultierende Werkstoffstruktur um den Fügepunkt wiedergeben kann. Dabei hat sich herausgestellt, dass die verwendeten, erweiterten Simulationsmethoden von gekoppelten Euler-Lagrange-Ansätzen nicht ausreichend sind, um den Prozess ganzheitlich zu betrachten.