Prof. Dr.-Ing. G. Meschut, F. Augenthaler, V. Sartissonfiles.messe.de/abstracts/64223_Sartisson.pdf · Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik Universität Paderborn Prof. Dr.-Ing

© LWF, Paderborn 2015Folie 1

Laboratorium für Werkstoff- und FügetechnikUniversität PaderbornProf. Dr.-Ing. Gerson MeschutProf. Dr.-Ing. Ortwin Hahn

Prof. Dr.-Ing. G. Meschut, F. Augenthaler, V. Sartisson

Effiziente Fügetechniken für hybride Leichtbaustrukturen

15. Werkstoff-Forum, Hannover Messe

17.04.2015


AGENDA


1 Werkstoff- und Bauweisentrends im Automobilbau

2 Herausforderungen für die Fügetechnik

3 Schädigungsbewertung beim Stanznieten von FKV

4 Schließelement-Stanznieten

5 Funktionselemente in FKV-Anwendungen

6 Zusammenfassung und Ausblick



Leichtbaukonzepte und Bauweisentrendsim Automobilbau

FKV-Strukturen „Body in Black“FKV-Strukturen „Body in Black“

Stahl-Spaceframe

Stahl-Spaceframe

Faser-Kunststoff-Verbunde FKV

Faser-Kunststoff-Verbunde FKV

Al-SpaceframeAl-Spaceframe

AdvancedLM-Spaceframe

AdvancedLM-Spaceframe

Stahl-Schalen-bauweise

Stahl-Schalen-bauweise

Al-Schalen-bauweise

Al-Schalen-bauweise

Stahl-profilbauweise

Stahl-profilbauweise

FKVAnbauteile

FKVAnbauteile

Stahl/AluminiumMischbau

Stahl/AluminiumMischbau

Metall/FKVMischbauMetall/FKVMischbau

MagnesiumBauteile

MagnesiumBauteile

Optimierte Stahl-SchalenbauweiseOptimierte Stahl-Schalenbauweise

Lei

chtb

aup

ote

nti

al

Großserienfähigkeit

Fügetechnik: Schlüsseltechnologie für ressourceneffiziente HochleistungsverbundsystemeFügetechnik: Schlüsseltechnologie für ressourceneffiziente Hochleistungsverbundsysteme

Que

llen:

A

udi,

BM

W, D

aim

ler,

Vol

ksw

agen



InjektionsverfahrenDirect Fiber Placement

Pressverfahren

Quelle: Audi

Quelle: Audi

Strukturelle FKV-Bauteile in der Großserie im

intelligenten Mischbau

Vision: Faser-Kunststoffverbunde im Automobil



Herausforderungen beim Fügen vonFKV- / Metall-Bauweisen

Extreme Festigkeiten / geringes Umformvermögenz.B. Delaminationen /Faserschädigung

Zusätzliche Korrosionseffektez.B. durch hohe elektrochemische Potenzialunterschiede zwischen Fügepartnern / Verbindungselementen

Bedarf an leistungsfähigen Fügetechnologien Bedarf an leistungsfähigen Fügetechnologien

Artverschiedene Werkstoffez.B. unterschiedliche Ausdehnungs-koeffizienten (∆α-Problematik)

Einseitige / Eingeschränkte Zugänglichkeitz.B. in profilintensiven Bauweisen

Kostenz.B. für Anlagen, Hilfsfügeteile, Bauteilvorbereitung

Materialgerechte Krafteinleitungz.B. optimale Faseranbindung

Oberflächen-definitionz.B. geringe Adhäsion durch Trennmittel

Source: Porsche

Wärmeempfindliche Materialienz.B. Schädigung der Matrix(Duroplast / Thermoplast)

Quelle: Lamborghini



Entwicklung effizienterFügetechnologien für FKV- / Metall-Bauweisen

EffizienteHybrid-füge-

technologien

Que

llen:

Aud

i, B

öllh

off,

Lind

e, S

CA

Sch

ucke

r, R

IFT

EC

“Evolution” thermischer, adhäsiver und mechanischer Verfahren ”Revolution“: Neue (hybride) Technologien“Evolution” thermischer, adhäsiver und mechanischer Verfahren ”Revolution“: Neue (hybride) Technologien

Audi R8 mit 310 fließlochformenden Schrauben

Kra

ft-

un

d

Fo

rmsc

hlu

ssS

toff

-sc

hlu

ssS

toff

sch

luss



Forschungsbedarf beim Fügen von FKV

Entwicklung geeigneter Prüf- und Berechnungskonzepte

Korrosionseffekte, Beschichtungen, Kriechvorgänge, Stäube, …

Analyse und Verringerung von Delaminationen und Schädigungen

Anforderungsgerechte Weiter-entwicklung von Fügeverfahren



Schadensdetektion: ComputertomographieRisiken bei vorhandenen Delaminationen

Herausforderung beim Stanznieten von FKV-Metall-Strukturen

Delamination FVK Problemstellung

Stanzen

Gefahr StabilitätsversagenErhöhte Deformation Dauerfestigkeit herabgesetztDruckfestigkeit stark reduziert

[Quelle: Department of Aeronautics, Imperial College London]

Schädigungsinduzierung inFaser-Kunststoff-Verbunden:

FaserbrücheZwischenfaserbrücheDelaminationen

Unbekanntes Schadens-potential für Verbindung undWerkstoff

[Que

lle: I

LK]

Hohe AuflösungRäumlicheInformationenIn-Situ CT



Methodik HalbhohlstanznietenMethodik Vollstanznieten

Problematik bei Defektdetektion in der Computertomographie

Delamination FVK Prüfkörperherstellung

Ausgeprägtes Überblenden im Übergang FKV-MetallSchließen von Delaminationen aufgrund von starken KlemmkräftenProbenanfertigung mit Abbildung des Stanznietprozesses ohne Metallanteil gefordert! F

F

CFK

Delamination

Klemmkräfte

2 mm

Artefaktbildung

Klemmen

Modifizierter Niet: abnehmbarer Flachrundkopf

StanzenDeckblech entnehmenVerprägen

Verlierender Stempel

Fügen

Entfernen Setz-/Schließkopf

Ausdrücken



Vorgehen KennwertermittlungVorgehen Detektion

Delamination FVK Schädigungsbewertung

Computertomograph-Scan Volumenmodell

Unterscheidung einzelner DelaminationenBestimmung des gesamten DefektvolumensErarbeitung eines Schädigungsfaktors

Reduktion der Ursprungsfestigkeit des Werkstoffs / Verbunde

Ziel:Optimierung des Prozesses hinsichtlich Defekteinbringung

[Que

lle: I

LK]

Kerbfestigkeit (Zug / Druck)Lochleibungsfestigkeit

F

t

Einbringen definierter SchädigungsgradeAuswirkung auf TragfähigkeitLebensdauerbetrachtungIn-Situ-CT

Ziel:Ermittlung des Einflusses der Schädigung auf Laminat- und Verbindungsfestigkeiten

Tragfähigkeit Tragfähigkeit



Delamination FVK Einfluss des Halbhohlstanznietens auf Druckkerbfestigkeit

Werkstoff

CF-EP MD-GelegeHC340LA /

AC-600 PX T4

Laminataufbau

(0°2/90°/45°/-45°)s

Prüfmaschine

Zwick Z100

Prüfgeschwindigkeit

v = 2 mm/min

Probenanzahl

5

Dicke: 2,0 mm

Prüfrichtung: 0°

Prüfnorm: ASTM 6484

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

CF-EP / HC340LAoffen stanzgenietet

CF-EP / AC-600PX offen

stanzgenietet

CF-EP offenzirkulargefräst

CF-EP / HC340LAgeschlossenstanzgenietet

CF-EP / AC-600PX geschlossen

stanzgenietet

Dru

ckke

rbfe

stig

keit

[M

Pa]

Geprüfte Zustände1. Zirkulargefrästes Loch (keine Schädigung) Referenz2. Stanzgenietetes Loch, offen Einfluss Schädigung3. Stanzgenietetes Loch, geschlossen Anwendungsfall

12 3



LösungsansatzProblemstellung

Verfahrensablauf

Schließelement-Stanznieten Darstellung des Verfahrens

Bislang keine serienreife Technologie zum vorlochfreien mechanischen Fügen von Verbindungen mit FKV auf der Matrizenseite

Weiterentwicklung des Vollstanznietens zum vorlochfreien Fügen von Mischbauverbindungen mit FKV

Erzeugung formschlüssiger Verbindungen ohne Umformung von Niet oder matrizenseitigem Werkstoff durch Einsatz eines Schließelements

?

Fü

ger

ich

tun

g

Quelle: Volkswagen



Entwicklungsmethodik für das Schließelement

En

twic

klu

ng

sfo

rtsc

hri

tt

Projektlaufzeit

Optimierter

Prozess:

Schließelement-

Stanznieten

dA

t

di ø Loch:Kein LochVariation des Durchmessers

Matrizen-geometrieMinimale Fügekräfte

Werkstoff-eigenschaftenSchneid-verhaltenS

pan

nu

ng

σ

Dehnung ε

Optimierung durch Simulation



Schließelement-StanznietenEinfluss des Schließelementwerkstoffs

12

3

2 mm2 mm

2 mm

12

3

2 mm

2 mm2 mm

Werkstoff-härte:

Deck-material

< Schließ-element

Werkstoff-härte:

Deck-material

> Schließ-element

øButzen

øNietSE-Werkstoff: 1.0715

SE-Werkstoff: EN AW-6060 T66



Schließelement-StanznietenEinfluss des Schließelementgeometrie

SchneidkanteKeine Schneide Einlaufschneidkante ESK

Große Mengen CFK-Partikel in Ringnuten

Geringere Mengen CFK-Partikel und Schneid-

kantenreste in Ringnuten

Kaum CFK-Partikel und keine Schneidkantenreste in

Ringnuten



Schließelement-StanznietenErreichbare Scherzugfestigkeit

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00 Werkstoff

1. Metallischer Fügepartner2. CFK-Werkstoff3. Schließelement

Fügeverfahren

Schließelement-Stanznieten, Blindnieten

Niet

MBN: 499 000 002.900BN: TIFAS Grip 4 x 12 mm

Überlappung

Lü=20 mm (12mm LR CFK, 8mm LR Metall)

Prüfmaschine

Zwick Z100; v = 10 mm/min

Wegmessung

FDM - Aufnehmer

Max

imal

kraf

t in

kN

1. HC340LA 2. CF-PA 66 3. 1.4305

1. HC340LA 2. CF-PA 663. 1.0715

1. EN AW-6181 T6 2. CF-PA 66 3. 1.0715

1. HC340LA 2. CF-PA 66 3. (Blindniet)

1

2

CFK-VersagenFMax= 4,54 kN

CFK-VersagenFMax= 4,51 kN

Metall-VersagenFMax= 4,14 kN

Niet-VersagenFMax= 3,14 kN

Maximalwert

Minimalwert

arithm. Mittel

n=5



Funktionselemente FKV

Problemstellung

Wirtschaftliche Fügetechnologie für Montageanwendungen von FKV mit Metallstrukturen erforderlichDelaminationsgefahrKriechneigung Kunststoffmatrix Hohes Korrosionspotential der Kohlenstofffaser

[Quelle: BMW]

Projektziel

Anbindung von FKV-Bauteilen an Metallstrukturen mittels lösbarer Schraubverbindungen im Hinblick auf einen hohen Automatisierungsgrad

Blindnietmutter NietmutterStanznietmutter

Einnietmutter

Blindnietmutter

Faser-Kunststoff-VerbundeMetallische Strukturen



Resultat

StanznietmutternAnalyse von Delaminationen

Hersteller Olympus

Typ OmniScan MX2

Phased-Array-

Modul 16:128

Tauchtechnik-

Sensor 10 MHz

Phased Array 128 Elemente

Aktive

Aperture64 x7 mm

Pitch 0,50 mm

Elevation 7 mm

Weggeber ENC1-2.5-DE5 mm 5 mm

Theoretischer Lochdurchmesser d = Ø 9 mm

Referenz: Zirkularfräsen ohne Delamination

Erfassung geschädigter Bereich im Rückwandecho

Messung der maximalen Ausdehnung durch Scherschneidprozess

Gestanzt (Ersatzwerkzeug) Zirkularfräsen



Korrosionstest (VDA 621-415)

Probenanordnung in SalzsprühnebelkammerPrüfkörperaufbau

Übersicht Blindnietmuttern

Funktionselemente FKVKorrosionsuntersuchungen

Bezeichnung OberflächeSchichtdicke

in µm

Part 2.1ZE + Passivierung+ Zinklamelle

14 (8 + 6)

Part 2.3ZE + Passivierung+ KTL

27 (8 +19)

Optimiert Passivschicht

Wöchentliche Bestimmung des Schutzgrads RP durch äußere Begutachtung



Funktionselemente FVKKorrosionsuntersuchungen - Beispiel

BNM - A2 - optimiert

Woc

he 1

0

Basiswerkstoff Funktionselement Oberfläche KWT VDA 621-415 Prüfzeitraum

CF-PA66 Gewebet = 2,0 mm

BNM M6 Siehe Abb.1680 h

(10 Zyklen á 168 h)10 Wochen

BNM - A2 - optimiert BNM - A4 - optimiert

Woc

he 0

BNM - St - 2.1

BNM - St - 2.3BNM - St - 2.1

5 mm

BNM - St - 2.3

5 mm

BNM - A4 - optimiert

5 mm

Ziel: Substitution von hochlegierten Chrom-Nickel-Stählen durch günstigere, beschichtete Kaltstauchstähle

5 mm



Direktverschrauben FVK

Problemstellung

Vorlochfreie Fügetechnologie für das Verbindungen von FKV mit Metallstrukturen bei einseitiger Zugänglichkeit erforderlichKriechneigung Kunststoffmatrix Gefährdungspotential durch entstehende Faserstäube beim Direktverschrauben von FKV

Messung der Klemmkräfte

80°C, 22 h Lagern

Abkühlung bei Raumtemperatur

ca. 1,5 h.

T80

T20

[C°]

[s°]

Auswertung



Direktverschrauben FVKKlemmkraftverlust durch Kriechen

Geringe Klemmkraftverluste durch thermisches Kriechen des Matrixwerkstoffes in 2 mm CFK-Gewebe PA66

1,9

3,2

3,7

4,4

1,6

2,7

3,3

3,9

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

6 Nm 8 Nm 10 Nm 12 Nm

Klemmkraft in kN

Klemmkraft vor thermischer Belastung Klemmkraft nach thermischer Belastung

15,8%

15,6%

10,8%

11,4%

Fügeteilwerkstoffe

1. CFK- Gewebe/PA66t = 2,00 mm

Vorloch= Ø 7 mm

2. HC340LAt = 1,50 mm

Fügeverfahren

Fließlochschrauben

Hilfsfügeelement

Betzer M5 x 25, ZnNi, V, (st.)

Verschraubungsparameter

N1=3000 min-1FA1= 3,0 kN

N2= 300 min-1FA2= 1,0 kN

MA= siehe Diagramm

Klemmkraftmessung

80° C, 22 Std.Abtastfrequenz = 50 / 2 Hz



Zusammenfassung

Oberflächen-definition

Zusätzliche Korrosionseffekte

Materialgerechte Krafteinleitung

Einseitige / EingeschränkteZugänglichkeit

Artverschiedene Werkstoffe

Kosten

Extreme Festigkeiten / geringes Umform-vermögen

WärmeempfindlicheMaterialien

Herausforderungen beim Fügen im Mischbau

Serientaugliche Fügeverfahren für automobile FKV-AnwendungenMaximale Werkstoffausnutzung durch optimale Lasteinleitung in die FKV-StrukturKompensation thermischer Ausdehnungs- und elektrochemischer PotentialunterschiedeFügetechnik für FKV-Reparaturlösungen

Ausblick

• Herausforderungen mit innovativen (Hybrid-) Fügetechnologien begegnen• Fügen = Schlüsseltechnik für den Leichtbau mit FKV! • Herausforderungen mit innovativen (Hybrid-) Fügetechnologien begegnen• Fügen = Schlüsseltechnik für den Leichtbau mit FKV!

Quelle: Lamborghini

Funktionselemente

Innovative Lösungen

Halbhohl-stanznieten

Schließelement-Stanznieten

Voll-stanznieten



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Förderhinweis:

Die IGF-Vorhaben Nr. 17667 BG/1 / EFB-Nr. 02/112; 17437 N / EFB-Nr. 02/211; 17595 N / EFB-Nr. 01/112; 17597 N / EFB-Nr. 04/112 der Forschungsvereinigung „Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V.“ (EFB), Lothringer Str. 1, 30559 Hannover werden/wurden über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Danksagung:

Die Forschungsstellen danken den genannten Institutionen und den Mitgliedsunternehmen der projektbegleitenden Ausschüsse für die Förderung und Unterstützung der Forschungsprojekte.

Documents

Prof. Dr.-Ing. G. Meschut, F. Augenthaler, V. Sartissonfiles.messe.de/abstracts/64223_Sartisson.pdf · Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik Universität Paderborn Prof. Dr.-Ing