Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methodenentwicklung für die Simulation mechanischer Fügeprozesse mit besonderer Berücksichtigung fügespezifischer Reibverhältnisse

Die Fügetechnik gilt als Schlüsseltechnologie zur Energieeinsparung sowie zum Einsatz neuer Werkstoffe und damit zur Neu- und Weiterentwicklung von innovativen, ressourcensparenden Produkten. Eine wirtschaftliche Möglichkeit zum Fügen von Mischbaustrukturen ist der Einsatz mechanischer Fügeverfahren. Der zunehmende Kostendruck, kürzere Produktlebenszyklen und zeitgleich steigende Anforderungen an die Fügeverfahren machen zur Qualifizierung der Fügeverfahren den Einsatz von Simulationsmethoden in frühen Entwicklungsphasen erforderlich. Sensitiv auf die Güte der Simulationsergebnisse und damit auf die Prognosefähigkeit sind die angenommenen Reibverhältnisse. Diese sind aktuell mit großen Unsicherheiten behaftet und werden zudem in der Simulation nur sehr vereinfacht abgebildet.

Die Erfassung und Berücksichtigung der realen Reibverhältnisse in der Fügeprozesssimulation ist Ziel dieses Forschungsantrages.

Hierzu muss eine geeignete Versuchsmethodik zur Ermittlung der zeit- und ortsabhängigen Reibbeiwerte in Abhängigkeit der relevanten Einflussparameter entwickelt und qualifiziert werden, insbesondere auch für die komplexen Geometrien der Hilfsfügeteile. Zur Berücksichtigung der Messwerte muss zudem ein geeignetes Reibmodell qualifiziert werden. Eine abschließende Verifizierung und Validierung wird die Einsetzbarkeit im Produktentwicklungsprozess sicherstellen. Durch Merkblattarbeit soll die entwickelte Methode zusätzlich standardisiert werden. Von einer standardisierten, sicheren und kostengünstigen Methode werden insbesondere KMU entlang der mechanischen Fügeprozesskette in allen Wirtschaftszweigen profitieren, z.B. Prüf- und Berechnungsdienstleister, Softwareanbieter und Zulieferbetriebe.

Ergebniszusammenfassung:

Bedingt durch den Multimaterial-Mix in modernen Karosseriekonzepten ist die mechanische Fügetechnik zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden, artverschiedene Materialien miteinander zu fügen. Das Bestreben der OEMs in der Automobilindustrie, die Entwicklungsprozesse in der Fahrzeugentwicklung auf numerischem Wege weiter zu beschleunigen wird maßgeblich durch eine fehlende Prognosefähigkeit der Fügeprozesssimulationen beschränkt. Daraus leitet sich ab, dass aktuell die Verbindungsqualifizierung auf experimenteller Ebene stattfindet. Zur Umstellung auf effiziente und schnelle numerische Bemusterungsverfahren leistet dieses Vorhaben einen entscheidenden Beitrag.

Infolgedessen wird eine experimentelle Reibprüfmethodik eruiert, welche anschließend konzeptuell und konstruktiv in einem Reibprüfstand umgesetzt wurde. Basierend auf diesem Reibprüfstand erfolgte eine experimentelle Kennwertermittlung hinsichtlich der Reibung in den relevanten Kontakten der mechanischen Fügeverfahren Halbhohlstanznieten und Clinchen. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf die lokalen Fügeprozessparameter gelegt, welche analog zu den Fügeprozessen auch im Reibprüfstand abgebildet werden.

Auf Grundlage der experimentellen Datenbasis werden mathematische Formulierungen für die Reibung in Abhängigkeit der lokalen Fügeprozessparameter, wie z.B. Relativgeschwindigkeit oder Kontaktnormalspannung identifiziert. Die daraus entstehenden mathematischen Reibmodelle wurden im Anschluss im Rahmen von einfachen experimentellen Versuchen verifiziert. In einem weiteren Schritt wurden die generierten Reibmodelle in den numerischen Fügeprozesssimulationen eingesetzt und zeigten die gegebene Prognosefähigkeit. Somit ist im Rahmen des Forschungsvorhabens ein entscheidender Schritt für die Verbindungsvorhersage von numerischen Fügeprozesssimulationen gelungen.