Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Reibungsbasierte Rissinitiierung bei umform-technisch gefügten Verbindungen von Aluminiumknetlegierungen

Höchstfeste Aluminiumwerkstoffe werden im Automobil-, Schienenfahrzeug- und Flugzeugbau eingesetzt, um bestehende Stahlstrukturen hinsichtlich einer effizienteren Leichtbaukonstruktion zu substituieren. Die Ausnutzung der Festigkeitspotenziale der Werkstoffe generiert hierbei hohe Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit der Strukturen. Kürzlich durchgeführte Studien zeigen, dass das Versagen von umformtechnisch gefügten Verbindungen ursächlich durch eine reibungsbasierte Rissinitiierung zwischen den Fügeteilen bzw. zwischen dem Fügeteil und dem Fügeelement hervorgerufen wird. Bisherige Simulationsansätze, die zur Prognose der Schädigung unter anderem an Grundwerkstoffen verwendet werden, können aus diesem Grund nicht direkt übertragen werden. Es besteht die Notwendigkeit zur Ermittlung der Zusammenhänge zwischen klemmkraftbasiertem Verschleiß und der Rissinitiierung bei derartigen Werkstoffen, um eine einfache und versuchsarme Möglichkeit zur Beurteilung der Ermüdungsfestigkeiten der Fügeverbindungen zu bieten. Der Mangel an Wissen über diese fundamentalen Sachverhalte ist Motivation für das zu beantragende Forschungsvorhaben.

Durch effiziente Strategien zur Abbildung der wirkenden Mechanismen beim reibungsbasierten Versagen in der numerischen Simulation, werden KMU (bspw. Hersteller von Fügewerkzeugen, Softwaresimulationsfirmen, Zulieferer von Strukturteilen) künftig befähigt, umformtechnische Fügeverbindungen hinsichtlich neuer Gestaltungskriterien ermüdungsgerecht auszuführen. Durch die ganzheitliche Betrachtung der Fügestelle hinsichtlich Bemusterung und Tragverhalten führen die Projektergebnisse folglich zu einer signifikanten Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU durch deutliche Effizienzerhöhung des Montageprozesses. Außerdem kann mit Hilfe der anwendungsnahen Simulationsmethoden der gerade für KMU problematisch hohe Aufwand zur experimentellen Charakterisierung der Ermüdungsfestigkeit umformtechnisch gefügter Verbindungen signifikant reduziert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Mit den erzielten Ergebnissen des Forschungsprojektes konnte der Kenntnisstand zum Anrissverhalten umformtechnisch gefügter Verbindungen am Bsp. des Clinchens um den Einfluss der Reibung bei der Abschätzung der Anrisslebensdauer erweitert werden. Auf Grundlage der erarbeiteten Methode ist es möglich, den Rissinitiierungsort sowie die Anrisslebensdauer, unter Berücksichtigung des Reibeinflusses, geclinchter Aluminiumverbindungen richtig abzuschätzen. Insbesondere der Einsatz der Simulation als Werkzeug zur Ermittlung der Beanspruchungs- bzw. Kontaktsituation am Fügepunkt trägt im Zusammenspiel mit dem Örtlichen Konzept als werkstoffbasiertes Konzept zur Abschätzung der Anrisslebensdauer wesentlich dazu bei, den zeitintensiven experimentellen Aufwand zur Bewertung des Tragverhaltens einer umformtechnischen Fügeverbindung für KMU deutlich zu reduzieren. Die einfache Implementierung der Reibbeanspruchung über einen zusätzlichen Faktor im Örtlichen Konzept führt im Vergleich zu einer Abschätzung ohne Berücksichtigung der Reibbeanspruchung zu einer konservativeren und gleichzeitig praxisnäheren Abschätzung der Anrisslebensdauer. Durch die Erfassung der weiteren Einflussgröße „Reibung“ auf die Bauteillebensdauer wird die Bewertung der Fügeverbindung qualitativ gesteigert. Die Ergebnisse tragen dazu bei vorlochfreie umformtechnische Fügeverfahren im Automobilbau weiter zu etablieren. Darüber hinaus bilden die erzielten Ergebnisse zum Aluminiumwerkstoff EN AW-2024 T351 eine wesentliche Grundlage für die Weiterentwicklung vorlochfreier umformtechnischer Fügeverfahren im Flugzeugbau. Dies ermöglicht es KMU aus dem Bereich der Systemlieferanten für Füge- und Umformtechnik ihr Anwendungsgebiet zu erweitern.