Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Funktionsstrukturen in Sandwichbauweise durch Kragenziehen mit verlorenen Stempeln

Im Projekt „Funktionsstrukturen in Sandwichbauweise durch Kragenziehen mit verlorenen Stempeln“ wird die Thematik des Fügens von Sandwichblechen unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Herausforderungen adressiert. Im Fokus stehen spezielle Fügeelemente, die als „verlorene“ Kragenziehstempel dienen und so werkstoffgerechte Anbindungsstellen schaffen. In diesen erfolgt die Krafteinleitung maßgeblich über die Deckbleche, wodurch der negative Einfluss der meist polymeren Kernschichten auf die Verbindungsfestigkeit deutlich reduziert werden kann. Durch die Integration des Fügevorgangs in Umformprozesse ist eine wirtschaftliche Herstellung der Fügeverbindung realisierbar. Weiterhin sind aufgrund der Verwandtschaft des Verfahrens mit etablierten Fügetechnologien wie Clinchen und Stanznieten an gängigen Fügeanlagen und Werkzeugsystemen lediglich geringe Anpassungen nötig, was insbesondere für KMU von großem Interesse ist.

Aufbauend auf den Ergebnissen des vorhergehenden Forschungsvorhabens „Kragenziehen von Sandwichblechen“ wird ein bestehendes, parametrisches FE-Modell erweitert, um den Fügeprozess und nicht axialsymmetrische Geometrien abzubilden. Anhand des Modells erfolgen die Optimierung der Fügeelemente und die Prozessauslegung, wobei eine frühzeitige Validierung des Konzepts durch Versuche mit Fügeelement-Prototypen vorgesehen ist. Im Anschluss an die Entwicklung und Inbetriebnahme des Versuchswerkzeugs werden die Einflüsse der wesentlichen Geometrie- und Prozessparameter experimentell untersucht und die vielversprechendsten Varianten identifiziert. Diese werden im Folgenden Dauerfestigkeits- sowie Korrosionsprüfungen unterzogen und zur Fertigung eines Technologiedemonstrators genutzt.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurde ein parametrisches numerisches Modell entwickelt, dass sowohl den Sandwichverbund, wie auch ein Fügeelement umfasst. Dieses Modell dient der Auslegung des umzusetzenden Fügeelements und ist im Projektverlauf kontinuierlich angepasst und erweitert worden. Anhand des numerischen Modells sind wichtige Erkenntnisse zu den Material- und Konstruktionsanforderungen an das Fügeelement abgeleitet worden. Abschließend ist aufbauend eine optimale Fügeelement Geometrie abgeleitet worden. Diese konnte anhand von Vorversuchen in ihrer Funktionalität bestätigt werden. Hierfür sind Leistungsgrenzen bestimmt worden, dabei zeigt sich eine vergleichbare Leistungsfähigkeit zu Nietmuttern in übereinstimmender Größe hinsichtlich der Ausziehkräfte. Weiterhin werden Einflüsse der Geometrie des Gegenstempels sowie der Fügeelementlänge auf das Umformergebnis identifiziert und zwei charakteristische Umformgeometrien (s- und c-Form) beschrieben. Es ist ein numerisches Prozessfenster abgeleitet worden, dass abhängig von den gewählten Fügeelementen die Prozessparameter vorgibt.

Für die technische Umsetzung ist ein variables Werkzeug entwickelt und gefertigt worden, das in eine hydraulische Presse integriert werden kann. Für die Nutzung des Werkzeugs sind ein aktiv steuerbarer Stempel, Gegenstempel sowie Niederhalter erforderlich. Die Variabilität des Werkzeugs eröffnet die Möglichkeit mit geringem Aufwand eine Vielzahl von Werkzeug- und Prozessparametern praktisch variieren zu können.

Mittels der Validierungsuntersuchung ist die hohe Abbildungsgenauigkeit des numerischen Modells bestätigt worden. Das Verformungsverhalten des Fügeelements, insbesondere hinsichtlich der ausgebildeten Kragenform und Prozessgrenzen, wird numerisch sehr gut abgebildet. Entgegen der Erwartung ist eine c-förmige Umformung aufgrund der materialseitigen Umformgrenzen nicht erfolgreich realisierbar. Anhand der entstanden Prototypen sind durch Zugproben die Leistungsgrenzen ermittelt worden.