Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Innovative Mischbauweisen mit dünnwandigen Aluminiumdruckguss-Strukturen mittels Bolzensetzen und fließlochformenden Schrauben

Aluminiumgussbauteile finden aufgrund ihres spezifischen Gewichts, ihrer hohen Steifigkeit und der individuellen Formgestaltung eine immer stärkere Anwendung. Eine Voraussetzung für den Einsatz dieser Gussbauteile in Mischbaustrukturen mit Aluminium- oder Stahlblechen ist die Anwendung einer geeigneten Verbindungstechnik. Aufgrund der Individualität in der Formgebung liegt bei diesen Bauteilen häufig eine nur einseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle vor. Fügeverfahren welches das einseitige Fügen von Aluminiumgussbauteilen ermöglichen sind z.B. das fließlochformende Schrauben und das Bolzensetzen. Bei Verfahren mit einseitig zugänglicher Fügestelle ist die lokale Fügestellensteifigkeit von entscheidender Bedeutung. Diese kann bei Gussbauteilen lokal sehr unterschiedlich sein. So ergeben Hohlbereiche geringe Steifigkeiten, hingegen Fügestellen zwischen Verrippungen erhöhte Steifigkeiten. Verminderte Fügestellensteifigkeiten erschweren die Verbindungsherstellung und führen zu Bauteildeformationen, zu Spalten zwischen den Fügepartnern sowie beim hybriden Fügen zu einer schlechteren Klebstoffanbindung. Grund dafür sind die im Fügeprozess statisch oder schlagartig eingebrachten Fügekräfte. Um die beschriebene Problemstellung zu lösen, wird ein ganzheitlicher Lösungsansatz zur Auslegung und fügegerechten Gestaltung von Gussbauteilen verfolgt, welcher es in einer frühen Phase der Konstruktion und Fertigungsplanung ermöglicht, Bauteile den Fügeverfahren mit einseitiger Zugänglichkeit entsprechend fügegerecht zu gestalten und Fertigungsabläufe besser zu planen. Die Projektergebnisse können in der Konstruktion von Gussbauteilen genutzt werden, um diese für die einseitigen Fügeverfahren optimiert zu entwickeln. Das zu entwickelnde Musterbauteil kann bei KMU und OEMs in frühen Phasen der Produktentwicklung, genutzt werden, um eine Bemusterung in Abhängigkeit der Bauteilsteifigkeit durchzuführen und den Einfluss von fertigungsbedingten Störgrößen zu untersuchen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine Methodik entwickelt, die es ermöglicht, Fügestellen von Aluminiumdruckgussstrukturen qualitativ zu bewerten. Die Bewertung erfolgte in Abhängigkeit verschiedener Steifigkeitssituationen, welche über verschiedene Matrizendurchmesser eingestellt wurden. Mittels dem Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen und dem fließlochformenden Schrauben erfolgten zunächst Vorversuche an Aluminiumstrangpresslegierungen. Dabei wurde durch die Bewertung von Klebverbindungsbruchflächen sowie die Ermittlung von Prozessfenstergrößen ein deutlicher Steifigkeitseinfluss für das Bolzensetzen nachgewiesen. Auf Basis dessen konnten Fügestellen hinsichtlich ihrer Fügeeignung bewertet werden. Zur Übertragung der Erkenntnisse wurde ein bauteilähnlicher Prüfkörper entwickelt, welcher gieß- und fügetechnische Anforderungen berücksichtigt. Mittels einer Gießprozesssimulation wurden Geometrieanpassungen vorgenommen und schließlich ein Druckgusswerkzeug konstruiert. Dieses Werkzeug ermöglichte den Abguss von Bauteilen in der entwickelten Probenform. Auf Basis des Musterbauteils wurde ein Ersatzmodel entwickelt, mit dessen Hilfe Deformationen und Spaltbildungen infolge von einseitigen Fügeverfahren – speziell das Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen – geschätzt werden können. Dazu wurde ein bereits bestehendes Modell an die neu gewonnenen Erkenntnisse angepasst. Nachfolgend wurden Methodiken zur Bewertung der Fügestellensteifigkeit an ebenen Bauteilen auf die reale Struktur übertragen. Es konnte gezeigt werden, dass bei gleicher Fügestellensteifigkeit identische Prozessfenstergrößen erzielt werden. Abschließend wurde der Einfluss von serienbedingten Störgrößen am Musterbauteil aufgezeigt. Für das fließlochformende Schrauben wurde, infolge eines geringen Einflusses der Fügestellensteifigkeit, die Fügeeignung von Druckgusswerkstoffen in Abhängigkeit von der Schraubengeometrie und Schraubparametern dargestellt.