Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Lösungsstrategien für das Halbhohlstanznieten von höchstfesten und ultrahöchstfesten Stählen mit Aluminiumwerkstoffen

Ein gestiegenes Umweltbewusstsein und politische Forderungen machen eine deutliche Reduzierung der CO2-Freisetzung durch den Fahrzeugverkehr notwendig. Ebenso steigen die Crashanforderungen an die Fahrzeuge, unter anderem durch Maßnahmen zum Schutz der Batteriezellen bei Elektrofahrzeugen. Diese Faktoren führen zu einer Zunahme von Mischbauverbindungen aus höchstfesten und ultrahöchstfesten Stahlwerkstoffen mit Aluminiumwerkstoffen. Der Einsatz dieser innovativen Materialkombinationen ist aber nur möglich, wenn geeignete Fügeverfahren vorhanden sind. Das Halbhohlstanznieten ist ein etabliertes Verfahren für das Fügen von Mischbauverbindungen. Bestehende Lösungen stoßen beim Einsatz von höchstfesten und ultrahöchstfesten Stählen aber an ihre Grenzen.

Daher ist es das Ziel des Forschungsprojekts, Lösungsstrategien für das Halbhohlstanznieten von höchstfesten und ultrahöchstfesten Stählen mit Aluminiumwerkstoffen zu erarbeiten. Im Projekt werden die verschiedenen Anforderungen an Stanznietgeometrie und -werkstoffe systematisch aus experimentellen und simulativen Untersuchungen abgeleitet und potenzielle Stanznietwerkstoffe mittels einer wissenschaftlichen Methodik charakterisiert. Anschließend wird der Werkstoff mit den besten Eigenschaften für die Entwicklung eines neuen Stanzniets ausgewählt. Mithilfe der Simulation wird eine neuartige Stanznietgeometrie entwickelt. Gleichzeitig werden Matrizenkonturen und moderne Matrizenkonzepte optimiert. Nachdem der neue Stanzniet umformtechnisch hergestellt wurde, werden die Einsatzgrenzen der entwickelten Lösung an unterschiedlichen Material-Dicken-Kombinationen ermittelt und die Tragfähigkeit experimentell bewertet. Zudem erfolgen Untersuchungen zur Eignung für das Hybridfügen.

Durch die Ergebnisse des Projekts wird der Einsatz einer zukunftsträchtigen Materialkombination und damit der Leichtbau insgesamt gefördert. Davon profitieren insbesondere KMU der Blechverarbeitung sowie der Fügeelement- und Fügesystemherstellung.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein Stanzniet erarbeitet, welcher eine Erweiterung des Einsatzbereichs des Halbhohlstanznietens auf stempelseitige Fügeteile aus höchstfesten und ultrahöchstfesten Stahlwerkstoffen bei großer Materialdicke ermöglicht. Zunächst wurden Referenzverbindungen mit handelsüblichen Stanznieten erstellt und analysiert. Durch die simulationsgestützte Ermittlung der Spannung- und Dehnungsverhältnisse im Stanzniet wurden Ansätze für die Modifizierung der Stanzniete erarbeitet. Ebenso wurde der Einfluss der einzelnen Geometrieparameter des Stanzniets auf die Verformung des Stanzniets und die Verbindungsausbildung untersucht. Parallel dazu, wurden die mechanischen Eigenschaften potenzieller Stanznietwerkstoffe charakterisiert und eine angepasste Wärmebehandlungsstrategie erarbeitet. Durch die Modifizierung der Werkstofflegierung und der Wärmebehandlung kann eine Erhöhung der Festigkeit des Stanznietwerkstoffs um ca. 20 % gegenüber der bisher üblichen Härteklasse H6 erreicht werden. Daher kann eine Stanznietgeometrie mit einem bisher üblichen Nenndurchmesser von 5,5 mm verwendet werden, wodurch die Zuführbarkeit des neuen Stanzniets sichergestellt ist. Die neuen Stanzniete wurden experimentell in einem zweistufigen Kaltumformprozess hergestellt. Abschließend wurde die erarbeitete Lösung basierend auf experimentellen Versuchen analysiert.