Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierungsstrategie zur anwendungsgerechten Simulation stanzender Fügeverfahren bei FKV-Hybridstrukturen

Das mechanische Fügen hybrider Bauteilstrukturen aus metallischen Werkstoffen und faserverstärkten Kunststoffen hat im funktionsgerechten Leichtbau eine zunehmende Bedeutung eingenommen. Für prädiktive Aussagen zu Prozesskräften, der Verbindungsqualität sowie einer qualitativen und quantitativen Beurteilung der ins Laminat eingebrachten Schädigung sind nach heutigem Erkenntnisstand aufwändige experimentelle Versuchsdurchführungen notwendig. Bei FKV-Werkstoffen steigt dieser Aufwand nochmals erheblich im Vergleich zu konventionellen Werkstoffen. Aus diesem Grund ist die Zielstellung des beantragten Forschungsvorhabens die detaillierte experimentelle Analyse der Schädigungsmechanismen bei stanzenden Fügeverfahren in FKV und darauf aufbauend die Entwicklung einer numerischen Modellierungsstrategie zur Simulation dieser Fügevorgänge in FKV-Hybridverbindungen. Insbesondere soll die Modellierungsstrategie den Anwender befähigen auf Basis einer Finite-Elemente-Simulation die Schädigung und die Setzprozesskurven bei variierenden Prozessparametern realitätsgetreu abzubilden. Zudem wird in dem beantragten Projekt erstmalig eine systematische numerische Untersuchung des Einflusses der durch den Setzprozess im FKV-Material induzierten Schädigungen auf die Verbindungsfestigkeit durchgeführt. Aufbauend auf stichprobenartigen experimentellen Voruntersuchungen zur Sensitivität verschiedener Prozessparameter auf den Halbhohlstanznietsetzprozess wurde in dem Vorgängerprojekt (AiF 17594 BR) ein detailliertes numerisches 3D-Modell erstellt. Dieses Modell und die im Projekt entwickelten Materialsubroutinen stellen die Grundlage für eine systematische Weiterentwicklung zur Beurteilung mechanisch gefügter Verbindungen bei Hybridstrukturen im Rahmen des zu beantragenden Projektes dar.

Da die Ergebnisse der Modellierung direkt in verfügbare Softwareprodukte einfließen können und sowohl Softwareanbieter als auch Ingenieurdienstleiter und Anwender im PA beteiligt sind, ist eine schnelle Umsetzung wahrscheinlich. Die aufgezeigten Maßnahmen sind geeignet, diesen Prozess zu unterstützen.

Ergebniszusammenfassung:

Die in dem Forschungsvorhaben entwickelte Modellierungsstrategie zur anwendungsgerechten Simulation stanzender Fügeverfahren bei FKV-Hybridstrukturen bildet eine Basis für die Vorhersage von Fügepunktausprägungen, den resultierenden setzprozessinduzierten Schädigungen im FKV-Werkstoff und den erforderlichen Prozesskräften. Durch eine stringente und schlüssige Simulationsstrategie und Vorgehensweise werden die KMU befähigt, optimierte Fügeverbindungen mit FKV simulativ zu entwickeln und Einflussfaktoren effektiv zu analysieren. Somit ist es möglich, eine deutliche Effizienzsteigerung bei der Fügeelement- und Werkzeugentwicklung, aber auch die geeignete Auswahl von Prozessparametern für spezifische Fügekonfigurationen zu erzielen. Weiterhin sind Kosteneinsparung in Bezug auf teure CT-Prüfungen zur Detektion der setzprozessinduzierten Schädigungen ein entscheidender Faktor.

Mit Hilfe der Versuchsergebnisse wurde zudem das Bewusstsein der im Projektausschuss befindlichen Unternehmen geschärft, welchen Einfluss stanzende Fügeverfahren auf das Tragverhalten bei quasistatischer und zyklischer Belastung haben. Dieses Knowhow kann direkt in aktuelle Fragestellungen überführt werden und führt somit zu einem direkten Benefit für die beteiligten Unternehmen und kann zu einer positiven Außendarstellung der Unternehmen beitragen.

Im Ergebnis kann mit Hilfe des effizienten, simulationsgestützten Bemusterungsprozesses die Wettbewerbsfähigkeit der KMU durch den Einsatz des kostengünstigen Fügeverfahrens „Stanznieten“ in FKV-Metall-Strukturen unterstützt werden.