Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Mechanisches Fügen von FKV-FKV-Verbindungen

Zur Erzielung größerer Gewichtseinsparungen wächst das Interesse, metallische Bauteile durch FKV-Komponenten zu substituieren. Mit zunehmendem Anteil an Faser-Kunststoff-Verbunden in technischen Produkten ergibt sich eine wachsende Anzahl an zu verbindenden Werkstoffkombinationen, worunter neben Mischbauverbindungen auch FKV-FKV-Verbindungen mechanisch gefügt werden müssen. Bestehende, sich hierfür eignende Verfahren setzen allerdings ein Vorloch voraus und limitieren die Produktivität. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, innovative vorlochfreie, mechanische Fügeverfahren zum Verbinden von FKV-FKV-Verbindungen zu untersuchen.

Der Lösungsweg sieht vor, nach einer Abstimmung der Randbedingungen die zu betrachtenden Fügeverfahren an bestehender Anlagentechnik zu adaptieren und interne Sensoren für Aufzeichnungen der Prozesskurve zu nutzen. Anhand von abgeleitetem Optimierungspotential der einzelnen Verbindungen werden die Verfahren für den Einsatz in FKV-FKV-Strukturen optimiert. Hierfür sind Anpassungen an Element- und Werkzeuggeometrie, Prozess und Werkstoffen notwendig. Die durch den vorlochfreien Fügeprozess induzierten Laminatdefekte sollen mittels geeigneter Methoden quantifiziert und durch Druckprüfungen bewertet werden. Mit dem pbA ausgewählte Verfahren sollen im Anschluss mit dem Ziel einer Ausweitung der Verfahrensgrenzen weiterentwickelt werden. Vor der Erstellung des Abschlussberichts rundet eine umfangreiche Charakterisierung der Verbindungseigenschaften den Arbeitsplan ab.

Die Forschungsergebnisse ermöglichen es den Unternehmen, die Produktion von FKV-basierten Baugruppen effizienter gestalten zu können. Die betrachteten Fügeverfahren erlauben dabei ebenso den Einsatz in Fertigungen mit hohem manuellem Anteil, was insbesondere bei KMU häufig der Fall ist. Systemlieferanten fungieren ferner als Multiplikatoren und erschließen für die Fügeverfahren weitere Anwendungsfelder.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden vier neuartige mechanische Fügeverfahren zum einstufigen, vorlochfreien Fügen von artgleichen Faser-Kunststoff-Verbund-Verbindungen weiterentwickelt. Dazu wurden zunächst die betrachtenden Fügeverfahren an bestehender Anlagentechnik des Forschungsinstituts umgesetzt. Basierend auf der erfolgreichen Adaption der Fügeverfahren wurden Charakteristika der Verbindungen mittels Schliffbildaufnahmen und Betrachten äußerer Merkmale dokumentiert, anhand derer Maßnahmen zur Verfahrensmodifizierung abgeleitet wurden. Die Verfahrensmodifizierungen wurden verfahrensindividuell bei einer ausgewählten artreinen Glasfaserverstärkter Kunststoff Verbindung (GFK-GFK-Verbindung) durchgeführt. Das Ziel war, durch gezielte Element- und Werkzeugentwicklung neben der Steigung der Prozessstabilität die Verbindungsqualität insbesondere hinsichtlich der Reduzierung der Laminatschädigung zu verbessern. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Eignungsbewertung der Fügeverfahren hinsichtlich der Prozess- und Fertigungsflexibilität durchgeführt. Hierdurch wurden zwei Vollstanznietverfahren, die das größte Eignungspotential aufwiesen, zur Analyse der Einsatzgrenzen vertiefend betrachtet. Dabei wurden die Verbindungen an weiteren Werkstoffkombinationen mit variierten Faser- und Matrixsystemen bemustert. Zusätzlich wurden Verbindungen mit Klebstoff untersucht, bei denen der Einfluss der Klebstoffviskosität auf die Verbindungsausprägung analysiert wurde. Die Ermittlung der Verbindungseigenschaften des neuartigen Fügeverfahrens erfolgte anschließend umfassend durch Zugprüfungen unter quasistatischen, zyklischen Belastungen. Abschließend wurde das Verhalten der optimierten Verbindungen unter korrosiver Belastung im Salzsprühnebeltest charakterisiert. Durch die gezielten Verfahrensmodifizierungen können die FKV-FKV-Verbindungen schädigungsärmer gefügt werden, so dass eine verbesserte Verbindungsqualität bei den FKV-basierenden Bauteilen ermöglicht wird.