Halbhohlstanznieten von FVK mit Leichtmetallen
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PRODUK TIONS UND FERTIGUNGSTECHNIK
FEM-basierte Prozessauslegung
Halbhohlstanznieten von FVK mit Leichtmetallen Der Großserieneinsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) in automobilen Mischbauweisen hängt von der erfolgreichen Einführung wirtschaftlicher und prozesssicherer Fügetechnologien ab. Bewährte Stanznietverfahren sind in der Lage diese Forderungen zu erfüllen. Aufgrund der anisotropen Eigenschaften der Werkstoffe bestehen allerdings weiterhin kosten- und zeitintensive experimentelle Auslegungsprozesse. Durch die Abbildung dieser Prozesse mithilfe moderner Finite-Elemente-Simulationstechniken können diese Problemstellungen gelöst und gleichzeitig eine Optimierung der Verbindung erzielt werden.
S
teigende Kosten für Rohstoffe und Energie erfordern die Entwicklung belastungsgerechter Leichtbaukonzepte. Vor allem in mobilen Anwendungen führt die Leichtbauweise zu ressourcen- und energieeffizienten Strukturbauteilen. Grundsätzlich lassen sich die höchsten Leichtbaupotenziale durch Mischbauweisen beispielsweise durch Hybridstrukturen aus Al/Stahl oder Al/FKV erschließen. Hierfür sind werkstoff- und prozessgerechte Fügeverbindungen zu entwickeln und technologisch umzusetzen.
Klassische thermische Fügeverfahren wie das Widerstandspunktschweißen gelangen in der Mischbauweise durch die metallurgisch und thermisch inkompatiblen Werkstoffe an ihre Verfahrensgrenzen [1]. Häufig angewendete Alternativen bieten derzeit mechanische und chemische Fügetechniken wie Schnapp-, Schraub- und Klebeverbindungen. Die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren wird aber durch verfahrens- und fertigungsbedingte Nachteile wie komplexe Konstruktionselemente, Auftrags- und
»Dier Prozesssimulation bietet eine zeiteffiziente und ökonomische Alternative für die Optimierung des StempelMatrize-Systems, des Nietes und der Prozessparameter gegenüber aufwendigen experimentellen Untersuchungen.« M.Sc. Raik Grützner ist Leiter der Arbeitsgruppe Prozess- und Baugruppenprüfung am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Abteilung Mechanisches Fügen, in Dresden.
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PRODUK TIONS UND FERTIGUNGSTECHNIK
BILD 1
BILD 3
Verfahrensablauf beim Stanznieten mit Halbhohlstanzniet
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CT-Aufnahme einer gelochten CFK-Probe – Querschnitt
(links) – mit visualisierten Verbundschädigungen (rechts) (Stempeldurchmesser = 5 mm; Materialdicke = 2 mm; Geschwindigkeit = 10 mm/s; Schneidspalt = 0,05 mm, CT-Auflösung = 12 μm)
BILD 2
Methode zur Entwicklung eines numerischen Modelles zur Abbildung des Fügeprozesses
beim Stanznieten in Mischbauweise
Fixierprobleme deutlich gemindert [2]. Ein möglicher Lösungsansatz ist das Stanznietverfahren mit Halbhohlstanzniet, Bild 1. Dieses Verfahren zeichnet sich durch hohe Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit sowie durch die hohe Variabilität beim Fügen unterschiedlicher Werkstoffe aus [2], [3], [4]. Beim Stanznieten mit Halbhohlstanzniet wird das Tragverhalten im Wesentlichen von der Verbindungsausbildung bestimmt. Eine Abstimmung der Fügewerkzeuge und des Nietes auf di
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