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SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
W. Flügge
Dresden, den 15. September 2015
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Agendag
Treiber für Leichtbau
SALZGITTERMANNESMANN
Mischbauweisen im Automobilbau
Fügetechniken für MischbauweiseMANNESMANNFORSCHUNG
Fügetechniken für Mischbauweise
Beispiele für technologische Lösungen
Fazit
ie 2
, Wer
ksto
ffwoc
he
.
SZM
F, E
SA
F, F
oli
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Verbrauchsaufteilung am Beispiel Golf A6 1,4 TSIg p ,
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
ie 3
, Wer
ksto
ffwoc
he
SZM
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SA
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oli
Quelle: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift | Ausgabe 06/2010
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Energieverbrauch am Beispiel Elektroautog p
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
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, Wer
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ffwoc
he
SZM
F, E
SA
F, F
oli
Quelle: Friedrich und Hülsebusch 2012
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Stand der Karosseriebauweisen
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
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, Wer
ksto
ffwoc
he
SZM
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SA
F, F
oli
Quelle: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift | Ausgabe 10/2008
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Tradition der Mischbauweise
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
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, Wer
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ffwoc
he
SZM
F, E
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oli
Quelle: Ford
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Materialauswahl im Wandel der Zeit
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
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, Wer
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he
SZM
F, E
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F, F
oli
Quelle: Ashby, M.: materials selection in mechanical design 2005
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Auswahlkriterien für automobiltypische Werkstoffeyp
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
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he
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SA
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oli
Quelle: Ashby, M.: materials selection in mechanical design 2005
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Eigenschaften für die Bewertung der Werkstoffeg g
Eigenschaften mit Relevanz für die Auswahl
Eigenschaften mit Konsequenzen auf die Verarbeitung/Auslegung
Thermischer Beständigkeit
FestigkeitDichte
g g g
Treibhausgasemissionen hi d W k t ff
Abstand in der elektrochemischen Spannungsreihe
Oberflächen
verschiedener Werkstoffe
SALZGITTERMANNESMANN
EnergieaufnahmeGültigkeit von zeitraffenden Labortests
MANNESMANNFORSCHUNG
Herstellbare
KostenVerbindungstechnologie mit anderen Komponenten
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, Wer
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he
Wärmeausdehnungs-koeffizienten
Herstellbare Geometrien
Technologien zur
SZM
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oli
Relaxationsverhalten
Technologien zur Bauteilerzeugung
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Definition Mischbauweise aus Sicht Fügetechnikg
AutomobiltypischesStahlfeinblech
Mischbau auf Stahlbasis
Mischbau auf Metallbasis
Mischbau auf Festkörperbasis
„Stahlbrille“ Metallischer Überzug
Metallschäume
ReferenztechnolgiePunktschweißen
O i h
AustenitischesGefüge StahlsandwichverbundblecheSALZGITTER
MANNESMANNFerritsches Gefüge
Organischer Überzug
Mischgefüge auf
MartensitischesGefüge
MetallsandwichverbundblecheMANNESMANNFORSCHUNG
g gFerritscher Basis
Magnesiumblech
Magnesiumguß
Thermoplastische Kunststoffe
Holzwerkstoffe
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oche
Aluminiumblech
Magnesiumguß
DuroplastischeKunststoffe
Holzwerkstoffe
SZM
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oli
Aluminiumguß
Glaswerkstoffe
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Füllhorn der Fügetechnologieng g
Schweißen
SALZGITTERMANNESMANNMechanisches
FügenMANNESMANNFORSCHUNG
Kleben
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oche
Kleben
SZM
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oli
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Fügetechnologien und Mischbauweise g g
AutomobiltypischesStahlfeinblech
Mischbau auf Stahlbasis
Mischbau auf Metallbasis
Mischbau auf Festkörperbasis
„Stahlbrille“ Nicht sofort festOberflächensensitiv
GünstigEtabliert
Komplexer Prozeß
SALZGITTERMANNESMANNEtabliert
Sofort fest
EtabliertSofort festEnges Prozessfenster
Sofort festZus Fügeteil
MANNESMANNFORSCHUNG
Enges Prozessfenster
EtabliertSofort festZus. Fügeteil
Zus. FügeteilKomplexer Prozeß
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S
ZMF,
ES
AF,
Fol
i
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Schweißen pressgehärteter Bauteilep g
Herausforderung: - Härteabfall in der Wärmeeinflusszone
Bekannter Effekt bei konventionellen Güten
Festigkeitsabfall beiSALZGITTER
MANNESMANN Festigkeitsabfall bei modernen höchstfesten Stahlgüten
MANNESMANNFORSCHUNG
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3, W
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oche
S
ZMF,
ES
AF,
Fol
i
Quelle: Dr.-Ing. J. Overrath, Thyssenkrupp Sofidit SAS, Dr. F.-J. Lenze, S. Sikora, ThyssenKrupp Steel Europe: „Aktuelle Entwicklung der Warmumformung im automobilen Fahrzeugbau“;
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Presshärten und Beschichtungeng
WerkstoffbeschichtungAlSi
• Passiver Verzunderungsschutz
• Gute Lackhaftungg
• Nur direkt verarbeitbar• Kein kathodischer
KorrosionsschutzKorrosionsschutz
WerkstoffbeschichtungZn basiert
SALZGITTERMANNESMANN Zn-basiert • Verzunderungsschutz
• Kathodischer Korrosionsschutz
MANNESMANNFORSCHUNG
• Nur indirekt verarbeitbar• Aufwendiger
FertigungsprozessQuelle: SSAB Hardtech: Martensitbildung beim Presshärten
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oche
Unbeschichteter Werkstoff• Sandstrahlen erforderlich• Starke
Werkzeugverschmutzung
SZM
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SA
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oli
• Werkstoff kostengünstig• Direkt und indirekt
verarbeitbar
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Schweißen pressgehärteter Bauteilep g
Herausforderung: - Härteabfall in der Wärmeeinflusszone
Bekannter Effekt bei konventionellen Güten
Festigkeitsabfall beiSALZGITTER
MANNESMANN Festigkeitsabfall bei modernen höchstfesten Stahlgüten
MANNESMANNFORSCHUNG
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oche
Lösung: Berücksichtigung des „Härtesack“ in AuslegungNutzung der Kombination mit dem strukturellen Kleben
SZM
F, E
SA
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oliNutzung der Kombination mit dem strukturellen Kleben
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Schweißen hochmanganhaltiger Stähleg g
Herausforderung: - Verarbeitung von austenitischen Gefüge
Physikalische Eigenschaften typischer Stahlgüten H340 X5CrNi 18 10 HSD600
®
Wärmeausdehnungskoeffizient bei 500°C 15 x 10-6 18 x 10-6 19 x 10-6
Wärmeleitfähigkeit bei RT [W/(m*K)] 64 15 11
Erstarrungsintervall (schnelle Abkühlung) [°C] 140 170 290
Liquidustemperatur [°C] 1530 1460 1377SALZGITTER
MANNESMANNLiquidustemperatur [ C] 1530 1460 1377Keine Aufhärtung der Fügezone
Erstarrungs-
HeißrissneigungMANNESMANNFORSCHUNG
Erstarrungsrichtung
Schrumpfungs-richtung
Restschmelze
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oche
Quelle: DVS Fachbuchreihe Schweißtechnik
SZM
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oli
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
HSD®-Stahl: Konstruktionsvorteile
1200nu
ngVorteil 2: Hohe DehnungVorteil 2: Hohe Dehnung
800
[MPa]
Spa
nn HSD®-Stahl
600
800Vorteil 1:Hohe FestigkeitVorteil 1:Hohe FestigkeitSALZGITTER
MANNESMANN400 Dualphasenstahl
MANNESMANNFORSCHUNG
0
200Weicher Tiefziehstahl
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oche
Vorteil 3: R d i t Di ht (5%) i V l i h k ti ll Stähl
00 10 20 30 40 [%] 60 Dehnung
SZM
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oliReduzierte Dichte (5%) im Vergleich zu konventionellen Stählen
durch hohen Al- und Si-Gehalt
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Schweißen hochmanganhaltiger Stähleg g
Herausforderung: - Verarbeitung von austenitischen Gefüge
Physikalische Eigenschaften typischer Stahlgüten H340 X5CrNi 18 10 HSD600
®
Wärmeausdehnungskoeffizient bei 500°C 15 x 10-6 18 x 10-6 19 x 10-6
Wärmeleitfähigkeit bei RT [W/(m*K)] 64 15 11
Erstarrungsintervall (schnelle Abkühlung) [°C] 140 170 290
Liquidustemperatur [°C] 1530 1460 1377SALZGITTER
MANNESMANNLiquidustemperatur [ C] 1530 1460 1377Keine Aufhärtung der Fügezone
Erstarrungs-
HeißrissneigungMANNESMANNFORSCHUNG
Erstarrungsrichtung
Schrumpfungs-richtung
Restschmelze
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oche
Quelle: DVS Fachbuchreihe Schweißtechnik
SZM
F, E
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oli
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Wahl des entsprechenden Schweißzusatzp
Werkstoffe
HSD600®HX340
Blechdicke
WEZ – Ferrit Bainit
Blechdicke
Fügetechnologie
t = 1,5mm
SALZGITTERMANNESMANN
Prüfverfahren
Metallschutzgas-schweißen
Zusatz: 1.4370
SG – BainitMANNESMANNFORSCHUNG
Prüfverfahren
Vickershärte HV 0,5
Schweißparameter
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oche
Schweißstrom 97 A
Spannung 16,7 V
Schweißgeschw. 0,5 m/min
Z t 1 4370 3 6 / i
WEZ - Austenit
SZM
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oliZusatz: 1.4370 3,6 m/min
Gas: Argon 10 l/min
Spalt 0,6 mm
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Schweißen hochmanganhaltiger Stähleg g
Herausforderung: - Verarbeitung von austenitischen Gefüge
Physikalische Eigenschaften typischer Stahlgüten H340 X5CrNi 18 10 HSD600
®
Wärmeausdehnungskoeffizient bei 500°C 15 x 10-6 18 x 10-6 19 x 10-6
Wärmeleitfähigkeit bei RT [W/(m*K)] 64 15 11
Erstarrungsintervall (schnelle Abkühlung) [°C] 140 170 290
Liquidustemperatur [°C] 1530 1460 1377SALZGITTER
MANNESMANNLiquidustemperatur [ C] 1530 1460 1377Keine Aufhärtung der Fügezone
Erstarrungs-
HeißrissneigungMANNESMANNFORSCHUNG
Erstarrungsrichtung
Schrumpfungs-richtung
Restschmelze
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oche
Lösung: - Einsatz von ausgewählten Schweißzusätzen zur Erzeugung eines kontinuierlichen Überganges
Quelle: DVS Fachbuchreihe Schweißtechnik
SZM
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olikontinuierlichen Überganges
- Konstruktive Berücksichtigung der Schrumpfungsbedingungen
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Stahl-Aluminium-Schweißen
Herausforderung: - Verarbeitung zwei unterschiedlichen MetallenMetalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten
- FeAl-Phasen sind sehr spröde und brechen verformungslos
SALZGITTERMANNESMANN
Q ll t l i
MANNESMANNFORSCHUNG
Quelle: voestalpine Quelle: voestalpine
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oche
S
ZMF,
ES
AF,
Fol
i
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Stahl-Aluminium-Schweißen
Herausforderung: - Verarbeitung zwei unterschiedlichen MetallenMetalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten
- FeAl-Phasen sind sehr spröde und brechen verformungslos
SALZGITTERMANNESMANN
Q ll t l i
MANNESMANNFORSCHUNG
Quelle: voestalpine
Lösung: - Nutzung einer Kombination aus Löten und Schweißen- Minimierung des Wärmeeintages durch CMT-Technologie
Quelle: voestalpine
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oche
- Minimierung des Wärmeeintages durch CMT-Technologie
SZM
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oli
Quelle: Fronius
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix
Herausforderung: - Unterschiedliche thermische Ausdehnungs-koeffizienten im Werkstoffmix
Behinderte Längenausdehnungα1 > α2
Freie Längenausdehnungα1 > α2
E1/ α1T = T1
α1 > α2
E2/ α2
α1 > α2
SALZGITTERMANNESMANN
T = T2
2 2MANNESMANNFORSCHUNG
T = T3Temperaturverlauf im Bauteil währendKlebstoffaushärtung (schematisch,
z B nach EFB-Forschungsbericht Nr 180)
Gelpunkt
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oche
z. B. nach EFB-Forschungsbericht Nr. 180)
SZM
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Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Bestimmung des Verformungsverhaltens
Auswertung der Fugen- und Probengesamtverformung
Verformungen durch das Setzen der Fügeelemente
2,53
3,5
G t fF f
Verformungen durch Klebstoffaushärtung;[m
m]
0 51
1,52 GesamtverformungFugenverformung
SALZGITTERMANNESMANN Klebstoffaushärtung; 180 °C, 30 min
1 2 3 4 5 6
rfor
mun
g
-1-0,5
00,5 MANNESMANN
FORSCHUNG
Ver
-2,5-2
-1,51
resultierendeVerformung
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oche
Niet
50-3,5
-3
SZM
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oli
Die nietsetzprozess- und klebstoffaushärtungsbedingten Verformungen werden zur Probengesamtverformung kumuliert
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix
Herausforderung: - Unterschiedliche thermische Ausdehnungs-koeffizienten im Werkstoffmix
Behinderte Längenausdehnungα1 > α2
Freie Längenausdehnungα1 > α2
E1/ α1T = T1
α1 > α2
E2/ α2
α1 > α2
SALZGITTERMANNESMANN
T = T2
2 2MANNESMANNFORSCHUNG
T = T3Temperaturverlauf im Bauteil währendKlebstoffaushärtung (schematisch,
z B nach EFB-Forschungsbericht Nr 180)
Gelpunkt
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oche
z. B. nach EFB-Forschungsbericht Nr. 180)
Lösung: Konstruktive Integration von Freiheitsgraden für die Verformung
SZM
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oliLösung: - Konstruktive Integration von Freiheitsgraden für die Verformung
- Integration der thermischen Gegebenheiten in Auslegung
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Fügen Materialhybrid Stahl-Magnesiumg y g
Herausforderung: - Integration Magnesiumteil in Struktur- Rohbaufügetechnologien schaffen elektrischen
Beispiel StirnwandKontakt, der zu Korrosion führt.
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
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S
ZMF,
ES
AF,
Fol
i
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Herstellung Magnesiumbauteilg g
Umformung bei 200°C Beschnitt
Pulver-lackierung
Anbringen v. Funktions-elementeng elementen
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
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S
ZMF,
ES
AF,
Fol
i
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Fügen Materialhybrid Stahl-Magnesiumg y g
Herausforderung: - Integration Magnesiumteil in Struktur- Rohbaufügetechnologien schaffen elektrischen
Beispiel StirnwandKontakt, der zu Korrosion führt.
St-Querträger Sti d i
St-Querträger Stirnwand aussen
SALZGITTERMANNESMANN
Mg Stirnwand
Stirnwand innen
Lochung fürKunststoff-Spreizniet
MANNESMANNFORSCHUNG
Mg-Stirnwand
ie 2
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oche
Lösung: - Verlagerung des Fügeprozess in Montage- Nutzung von Kunststoffnieten als
unterstützende Fügetechnik
SZM
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oliunterstützende Fügetechnik
Kunststoffspreizniet
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Fügen Materialhybrid Stahl-Kunststoffg y
Herausforderung: - Schädigung FVK durch Fügetechnologie- Schlechte Klebeignung FVK-Oberflächen- Klaffung der Bauteile nach mech. Fügeprozess
FKV-Schädigung Adhäsion Beuteilklaffung
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
ie 2
9, W
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oche
S
ZMF,
ES
AF,
Fol
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Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Umsetzung neuer Nietgeometrie
Werkstoffe
CF-PA 66 Gewebe (2,0 mm)
g g
HC 340 LAD (1,5 mm)
Maschinenparameter
Fügegeschwindigkeit: g g gv = 45 mm/s
Prägekraft: F = 30 kNSALZGITTER
MANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
Niederhalter
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Vorspannkraft: 3 kN
Abmessung (D x d): 12 x 6
Matrize
SZM
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oliMatrize
4,2 / 6,0 / 0,8 / 0,3x59° FaseStützring 0,3x16
Vorwettberbliche F&E finanziert durch:
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Fügen Materialhybrid Stahl-Kunststoffg y
Herausforderung: - Schädigung FVK durch Fügetechnologie- Schlechte Klebeignung FVK-oberflächen- Klaffung der Bauteile nach mech. Fügeprozess
FKV-Schädigung Adhäsion Beuteilklaffung
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
2500
3000
3500
4000
egin
ning
[N]
AC 600 PX T6%
ie 3
1, W
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oche
Lösung: - Nutzung Haftvermittler- Verwendung des Reservoirniet
Modifikation der Fügewerkzeuge 0500
1000
1500
2000
Forc
e at
Failu
reBe AC-600 PX T6
HC340LA
HC340LA mod.
+69
%
+25
%
SZM
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SA
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oli- Modifikation der Fügewerkzeuge 0 CF-PA 66 0° CF-EP 0°
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Fazit
Mischbauweise mit dem richtigem Werkstoff am richtigen Platz wird hzunehmen.
Schlüssel zur Ausnutzung der Werkstoffe ist die Fügetechnik.
Herausforderung für die Fügetechnik sind:
Machbarkeit SALZGITTERMANNESMANNTragfähigkeit
Unterschiedliche Wärmeausdehnung
MANNESMANNFORSCHUNG
Korrosion
Großserientauglichkeit
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ZMF,
ES
AF,
Fol
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Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Der Glaube an die Unmöglichkeitg
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
Der Glaube an die Unmöglichkeit des Vorhabens
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3, W
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oche
schützt die Berge zuverlässig davor,versetzt zu werden.
SZM
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oli
33
… wir versuchen es trotzdem.
Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design
Was auch immer Sie vorhaben …
SALZGITTERMANNESMANNMANNESMANNFORSCHUNG
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ZMF,
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AF,
Fol
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
Recommended