Flach-Clinchen Simulationsbasierte Optimierung und Weiterentwicklung einer einseitig ebenen, einstufig gefügten Clinch-Verbindung

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1 Flach-Clinchen Simulationsbasierte Optimierung und Weiterentwicklung einer einseitig ebenen, einstufig gefügten Clinch-Verbindung Birgit Awiszus, Ulrike Beyer, Marcel Todtermuschke, Frank Riedel Das Flach-Clinchen ist ein neues einstufiges mechanisches Fügeverfahren, bei dem der während der Umformung auftretende Werkstofffluss so beeinflusst wird, dass sich die für Clinch-Verbindungen charakteristische Hinterschneidung der Fügepartner und der daraus resultierende Kraft- und Formschluss innerhalb der Gesamtblechdicke ausbildet. Damit ist es möglich, Clinchen auch im Sicht- oder im Funktionsbereich einzusetzen. Dadurch erschließen sich neue Anwendungsbereiche für das mechanische Fügen. Des Weiteren eignet sich das Verfahren zum Verbinden artverschiedener Werkstoffe (z. B. Metall mit Kunststoff) und intensiviert damit das Multi-Material-Design. Die zunehmende Bedeutung umformtechnisch gefügter punktförmiger Verbindungen kurz mechanische Fügeverbindungen führt bereits seit vielen Jahren zu verstärkten Entwicklungen auf diesem Gebiet. Neben einer Vielzahl an Vorteilen derartiger konventioneller Verbindungen gibt es u. a. noch Einschränkungen durch die äußere geometrische Ausbildung (Bild 1a), die eine Überhöhung aus der Blechebene heraus erfordert. Einen Ansatz zur Lösung dieses Problems bildet die seit einigen Jahren in der Entwicklung befindliche Flach-Clinch-Verbindung (bisher als Flachpunkt bezeichnet). Hierbei wird eine einseitig ebene, punktförmige, einstufig mechanisch gefügte Verbindung hergestellt (Bild 1b). Dieses erfolgt durch Ersatz der bei konventionellen Clinch-Verbindungen eingesetzten gesenkartigen geteilten oder ungeteilten Matrize gegen einen ebenen Amboss und durch die gezielte Feinabstimmung der Einflussparameter. Damit ist es, unter Beibehaltung des Stempels und Niederhalters, möglich, eine stabile form- und kraftschlüssige Verbindung herzustellen, die einseitig im Sichtbereich oder als Funktionsfläche eingesetzt werden kann. Nachfolgend werden die aktuellen Ergebnisse hinsichtlich Optimierung und Weiterentwicklung der Flach- Clinch-Verbindung vorgestellt, die im Rahmen des DFG-Forschungsprojektes Kinematik- und Werkzeugentwicklungen zur Herstellung einstufig mechanisch gefügter Flachpunktverbindungen unter Nutzung der numerischen Simulation erarbeitet wurden. Zielsetzung Grundlage für die im laufenden DFG- Projekt durchgeführten Forschungsarbeiten bildete die vor einigen Jahren an der Technischen Universität Chemnitz entwickelte Flachpunktverbindung. Bild 1 Diese zeichnete sich durch einen Stoffschluss zwischen den beiden Fügepartnern aus. Die Verbindungsfestigkeit der Weiterentwicklung sollte ohne diesen durch aufwändige Vorarbeiten hervorgerufenen Stoffschluss erreicht werden und auf einem die konventionellen mechanischen Fügeverbindungen allgemein auszeichnenden Form- und Kraftschluss beruhen. Des Weiteren sollte die vollständige Ebenheit der Verbindung erreicht werden, die die Voraussetzung für den Einsatz des Flach-Clinchens im Sicht- und Funkti Gegenüberstellung von a) konventionellem Clinchen und b) Flach-Clinch-Verbindung

2 onsbereich darstellt. Außerdem galt ein Augenmerk den während der Verbindungsherstellung erforderlichen hohen Fügekräften, die durch geeignete Prozessmodifikationen reduziert werden sollten. Dafür war es notwendig, neue numerische Simulationsmodelle zu entwickeln, die die Wirkungsweise der wichtigsten Prozess- und Einflussgrößen beim Flach-Clinchen auf die Verbindungscharakteristik darstellen. Dies war erforderlich, da die Vielzahl der Einflussparameter sowie deren multifaktorielle Zusammenhänge bislang rein experimentell noch nicht ausreichend genau bestimmbar waren. Im Besonderen bestand die Zielstellung darin, das Verformungsverhalten der zu verbindenden Werkstoffe sowie den infolge der Umformung auftretenden Werkstofffluss innerhalb der Verbindung zu analysieren und durch geeignete Maßnahmen eine gezielte und ausreichende Ausbildung von Formschluss (Hinterschnitt) in der Fügestelle zu erreichen. Bild 2 Bild 3 Optimierungsstrategie Einflussparameter auf die Verbindungsausbildung beim Flach-Clinchen Optimierungsstrategie Um den experimentellen Aufwand so gering wie möglich zu halten, sollten ausgehend von der Fügeaufgabe diese Ziele vorrangig durch eine simulationsbasierte Optimierung erreicht werden. Dazu war es zunächst erforderlich, durch einen systematischen Abgleich von Simulation und Experiment ein kalibriertes Simulationsmodell zu erarbeiten. Dieses Modell bildete die Grundlage für die exakte numerische Wiedergabe des Flach-Clinchens. Dadurch konnten die experimentellen Ergebnisse durch die Simulation reproduziert werden. Damit war die Basis für den Optimierungsprozess, der simulativ durchgeführt und lediglich durch wenige Experimente verifiziert wurde, geschaffen. Dieses führte letztendlich zur industrietauglichen Weiterentwicklung des Flach-Clinchens (Bild 2). Parameter Im Fokus stand zu Beginn der Arbeiten die systematische Analyse und Quantifizierung der den Fügeprozess beim Flach-Clinchen beeinflussenden Parameter. Dabei wurden die bereits aus den experimentellen Voruntersuchungen bekannten Einflussgrößen in die numerischen Randbedingungen der entwickelten FE-Modelle integriert und systematisch durch numerische Methoden gestützte Untersuchungen variiert. Damit war es möglich, die Haupteinflussparameter herauszuarbeiten und zu quantifizieren. Bild 3 verdeutlicht die vier Schwerpunkte der Untersuchungen: 1. Prozesskenngrößen, 2. Werkzeuggeometrie, 3. Werkstoffeigenschaften sowie 4. weitere Randbedingungen, wie z.b. die Reibungseinflüsse. Während die Prozesskenngrößen, Werkzeuggeometrie und Randbedingungen innerhalb der Optimierung in bestimmten Grenzen variieren, wurden für die Durchführung der Untersuchungen insgesamt vier Feinblechwerkstoffe vorab ausgewählt: Al99,5 (EN AW-1050A), AlMg3 (EN AW- 5754), AlMg4,5Mn (EN AW-5083) sowie der Stahlfeinblechwerkstoff DC04 jeweils in verschiedenen Blechdicken (1; 1,5; 2 mm). Damit konnte ein Spektrum unterschiedlicher Werkstofffestigkeiten abgedeckt werden, das auch praxisrelevant ist. Um aussagekräftige Eingangsparameter für die FEM-Berechnungen zu erlangen, wurden von den für die experimentellen Untersuchungen verwendeten Werkstoffe die mechanischen Eigenschaften ermittelt. Da beim Flach- Clinchen sehr hohe Umformgrade von bis zu ϕ = 3,5 erreicht werden, konnte nicht auf ein konventionell eingesetztes Prüfverfahren zurückgegriffen werden, da hier der Umformgrad nur bis zu einem Wert von ca. ϕ = 0,2 experimentell bestimmbar ist. Da auch Materialdatenbanken nicht darüber hinaus aussagefähig sind, wurde eine Methodik angewendet, bei der Zugversuche an definiert vorverformten Blechen

3 durchgeführt wurden. Damit konnten Fließkurven bis zu einem Umformgrad von etwa ϕ = 2 experimentell bestimmt werden. Die Vorverformung wird durch Walzen der Bleche auf eine bestimmte Blechdicke erreicht. Die Reduzierung der Blechdicke führt zu einer Erhöhung des Umformgrades, der aus der Beziehung Bild 4 Gegenüberstellung der Untersuchungsergebnisse aus a) Simulation und b) Experiment (s 0 Ausgangsblechdicke, s 1 Blechdicke nach dem Walzen) (1) ermittelt werden kann. Anschließend wurden im genormten Zugversuch die R p0,2 -Dehngrenze und die Zugfestigkeit R m der Untersuchungswerkstoffe bestimmt. Die Abhängigkeit der Dehngrenze vom Vergleichsumformgrad bildete einen der wichtigsten Eingangsparameter für die numerischen Modelle. Bild 5 Auftretende Umformgrade (a, b) sowie Partikel-Tracking (c, d) bei der Herstellung einer Flach-Clinch-Verbindung mit verschiedenen Werkzeuggeometrien Modellierung Um die genaue simulative Abbildung der experimentellen Untersuchungen des Herstellprozesses von Flach-Clinch- Verbindungen zu erreichen, war es notwendig, alle technologischen und stofflichen Bedingungen möglichst realitätsnah in einem FE-Modell aufzubauen. Dabei wurde die speziell für die umformende Industrie entwickelte Simulationssoftware simufact.forming SFM der Simufact Engineering GmbH verwendet. Diese Software zeichnet sich u.a. durch einen Vernetzer aus, der auch bei während der Umformung auftretenden starken Blechdickenreduktionen und daraus resultierenden geringen Restbodendicken stabil weiterarbeitet. Dies war speziell für die Abbildung des Flach-Clinchens sehr wichtig, da es in der Fügezone zu einer Reduktion der Blechdicke um bis zu 90% der Ausgangsblechdicke kommt. Des Weiteren bietet die Software die Möglichkeit, komplizierte Kinematiken der Werkzeuge abzubilden und die aufgenommenen mechanischen Eigenschaften der Versuchswerkstoffe auf einfache Art und Weise in das Modell zu integrieren. Nach detaillierter Betrachtung der Prozessabfolge wurde das Flach-Clinchen unter Ausnutzung von Axialsymmetrien im 2-dimensionalen Raum modelliert. Dabei konnte auch ein wesentlicher prozessinduzierter Ein flussfaktor die Federkopplung zwischen Stempel und Niederhalter durch die Hinterlegung einer im realen Prozess ermittelten Federkennlinie im Modell berücksichtigt werden. Dadurch wurde eine exakte Abbildung des Zusammenspiels zwischen Stempel und Niederhalter erreicht und es konnten Erkenntnisse für die Optimierung der Federkräfte gewonnen werden, z.b. durch Anpassung der Federsteifigkeiten. Durch diese exakte Anpassung der Federkräfte wurde auch die Vorhersage der erforderlichen Stempelfüge- und Niederhalterkräfte für spezifische Fügeaufgaben möglich. Kalibrierung Während der Kalibrierung wurden die Ergebnisse der Simulation mit denen der experimentellen Untersuchungen verglichen. Die im ersten Stadium dieses Prozesses aufgetretenen Abweichungen wurden analysiert und die gewonnenen Erkenntnisse in das FE-Modell eingearbeitet. Dies war abgeschlossen, als eine hinreichende Genauigkeit bei den wichtigsten Kennwerten Hinterschnitt f, Halsdicke t n, Restbodendicke t b und Fügekraft F FS erreicht wurde (Bild 4). Die erarbeiteten kalibrierten Modelle bildeten die Grundlage für den weiteren Optimierungsprozess.

4 Optimierung Werkstofffluss Im Weiteren wurden Simulation und Realprozess für bereits früher im Experiment eingesetzte Werkzeuge abgeglichen. Diese grundlegende Überprüfung der verwendeten Stempel wurde insbesondere hinsichtlich der Erzielung von Hinterschnitt ausgewertet. Dabei konnten verschiedene, nicht praktikable Stempelformen eliminiert werden. Als weiterhin besonders geeignet erwiesen sich die zylindrisch konkave sowie zylindrisch flache Stempelspitzengeometrie. Für die konkave Stempelform konnte mit Hilfe der Simulation nachgewiesen werden, dass Bodenradius und Hinterschnitt ein umgekehrt proportionales Verhalten besitzen, d.h. je kleiner der Bodenradius ist, umso größer ist der Hinterschnitt. Dabei stellten sich aber begrenzend für den Bodenradius die starke Ausdünnung des ambossseitigen Bleches sowie die geringe Halsdicke bei zu kleinem Bodenradius dar. Sowohl für die konkave als auch zylindrisch flache Kontur konnte eine umkehrte Proportionalität zwischen Kantenradius und Hinterschnitt im Simulationsmodell nachgewiesen werden, d. h. je kleiner der Kantenradius gestaltet war, umso größerer Hinterschnitt konnte erreicht werden. Dies wurde auch experimentell nachgewiesen. Mit dem geschaffenen 2-dimensionalen FE-Modell für die lineare Fügekinematik konnten anschließend erste Anhaltspunkte zur Modifizierung des Stempeldurchmessers (der bislang experimentell stets konstant bei 5,0 mm gehalten wurde) bei Veränderung der Blechdicke gewonnen werden. Dies hat Bedeutung z.b. für das Flach-Clinchen größerer Blechdicken. Weitere Modellmöglichkeiten bieten sich beispielsweise für die Untersuchung verschiedener Werkzeugwerkstoffe zur Standmengenerhöhung an. Wie für die Stempelgeometrien erfolgte anschließend auch eine grundlegende Überprüfung der experimentell verwendeten Niederhalter. Hier wurde ebenfalls der Einfluss unterschiedlicher Niederhaltergeometrien auf die Ausbildung des Hinterschnitts untersucht. Die wesentliche Erkenntnis dieser simulativen Untersuchung war, dass der Werkstofffluss während der Verbindungsausbildung von Flach- Bild 6 Bild 7 Clinch-Verbindungen zwei Stadien durchläuft: Zunächst muss ein Werkstofffluss in entgegengesetzter Richtung zum Stempelvorschub gewährleistet werden und dieser Werkstofffluss kann durch geeignete Maßnahmen sowohl in axial entgegen gesetzter Stempelrichtung als auch in bestimmter Entfernung vom Stempel radial begrenzt werden, wodurch eine Maximierung des Hinterschnittes erreicht wird. Dieser Zusammenhang wurde bislang rein experimentell nicht erkannt. Erst durch die Visualisierung dieses Werkstoffflusses in der Simulation, wie im Bild 5c und d als Partikel Tracking sichtbar, erfolgte eine gezielte Gestaltung eines Werkstoffflussbegrenzers Verschiedene experimentell und numerisch untersuchte Niederhaltergeometrien, a) experimentell entwickelt und b) numerisch weiterentwickelt Schema zur radial überlagert gefügten Flach-Clinch-Verbindung beim Niederhalter in Form eines Absatzes in der Niederhalterbohrung. Für den bereits experimentell untersuchten Niederhalter mit Ringkontur erfolgte dazu eine simulative Variation von Lage und Form der Kontur. Daraus konnten folgende Erkenntnisse abgeleitet werden: Für weiche Materialien, wie z.b. Al99,5, eignet sich besonders eine Ringzacke am Innendurchmesser des Niederhalters, der im rechten Winkel zur Niederhalterstirnfläche angeordnet ist. Dies führt zu einer Unterbrechung des Werkstoffflusses in radialer Richtung und dadurch zu einer Verbesserung des Hinterschnittes, siehe Bild 5a und 5c. Für festere Materialien, wie z.b. DC04, ist ein Niederhalter mit ein

5 zelner Ringkontur (Durchmesser 12 mm) besser geeignet, weil es beim Kontakt des Niederhalters mit dem stempelseitigen Werkstoff zu einem großflächigeren axialen Ausweichen des stempelseitigen Werkstoffes entgegen der Stempelvorschubrichtung kommt und dadurch ein besserer Werkstofffluss des ambossseitigen Werkstoffes zu einer Vergrößerung des Hinterschnittes führt, siehe Bild 6a. Aus den Ergebnissen der Materialflussanalyse während des Fügeprozesses erfolgte die Neuentwicklung einer Niederhalterform ohne Ringkontur (bezeichnet als Form VII), siehe Bild 5b, 5d und 6b. Dadurch gelang neben einer Verbesserung des Hinterschnittes insbesondere auch eine weitere Verbesserung der ambossseitigen Ebenheit der Verbindung. Dieser Niederhalter mit Innenradiuskontur wurde ausschließlich durch Untersuchungen der Abhängigkeit des Hinterschnittes von Kantenradius und Innendurchmesser, die im FE-Modell durchgeführt und visualisiert wurden, entwickelt. Allgemein kann festgestellt werden, dass die Werkzeuge an die jeweilige Fügeaufgabe, d.h. die jeweiligen Werkstoffe und Blechdicken(-verhältnisse) angepasst werden müssen, was experimentell nur mit großem Aufwand, aber mit der FE-Simulation sehr einfach und kostengünstig möglich ist. Insbesondere sind dabei die Durchmesser bzw. die Radien der Konturen Bild 8 des Niederhalters sowie des Stempelkantenradius zu modifizieren. Fügekräfte a) Spiralförmige Materialwelle in der Fügezone b) Auftreten von wellenförmigem (mehrfach wirkendem) Hinterschnitt, entstanden bei der Herstellung mit Niederhalter mit Innenkontur VII Das Flach-Clinchen von festeren Werkstoffen insbesondere mit einer Dehngrenze R p0,2 > 500 MPa erfordert sehr hohe Fügekräfte in einem Bereich von über 100 kn. Deswegen wurde nach Prozessvariationen gesucht, diese erforderlichen Fügekräfte zu reduzieren. Verfahrensseitig besteht die Möglichkeit, den linearen Hub des Stempels mit einer weiteren Bewegung zu überlagern. Dadurch wird die aktive Stempelfügefläche verringert, es kommt zu einer inkrementellen Umformung und somit zur deutlichen Reduzierung der notwendigen Stempelfügekraft (Bild 7). Die prinzipielle Herstellung von Flach-Clinch-Verbindungen mit radial überlagerter Fügekinematik wurde bereits früher experimentell nachgewiesen. Dort bestand jedoch die Problemstellung der Eingrenzung des Parameterfeldes aus kinematischen, werkzeugtechnologischen und werkstofflichen Randbedingungen, um konkrete Fügeaufgaben zu realisieren. Eine systematische experimentelle Untersuchung einzelner Prozessparameter ist durch deren Vielzahl sowie deren multifaktorieller Abhängigkeit untereinander sehr schwierig. Mit Hilfe der Simulation sind hier, insbesondere unter Berücksichtigung eines gezielten Werkstoffflusses, neue Methoden eingeflossen, dies zu vereinfachen und zu beschleunigen. Zur numerischen Abbildung des Prozesses mit überlagerter Stempelkinematik wurden wie auch bereits für die lineare Kinematik zunächst experimentell nachgewiesene Fügeaufgaben analysiert, um einen direkten Abgleich zwischen Experiment und Simulationsmodell durchzuführen. Bild 9 Gegenüberstellung der experimentell ermittelten Fügekräfte bei unterschiedlichem Startpunkt der überlagerten Fügekinematik

6 Die Abbildung in einem 2-D-Modell, wie für lineare Fügekinematiken angewendet, musste verworfen werden, da sich damit die komplexe Bewegungsart einer Rosettenbahn nicht sinnvoll abbilden ließ. Während des Modellierens mussten verschiedene schwierige Probleme bei der Abbildung des radial überlagerten Flach-Clinchens gelöst werden, was letztlich erst mit der Anwendung des neuesten Release der Software simufact.formingsfm Version 8.1 möglich wurde. Diese Version zeichnet sich durch einen neuen 3-D- Vernetzer aus. Damit konnte u. a. numerisch nachgewiesen werden, dass das Verfahren nur für festere Materialien, wie z.b. AlMg3 statt des sonst als Basis verwendeten Al99,5, einsetzbar ist. Grund dafür ist, dass artgleiche Verbindungen von Al99,5 im Bodenbereich sowie im Halsbereich infolge der inkrementellen Bewegung deutliche Risse und Materialverwerfungen zeigen, die bis zur Zerstörung der Verbindung bereits im Entstehungsprozess reichen. In experimentellen Voruntersuchungen zur numerischen Modellierung konnte bereits festgestellt werden, dass bei radial überlagert gefügten Flach-Clinch-Verbindungen Kaltpressverschweißungen im Boden- und im Halsbereich der Verbindung auftreten. Durch die radial überlagerte Stempelbewegung kommt es zu einer mehrfachen Überwälzung. Diese bewirkt eine sehr große inkrementelle Umformung des Werkstoffes in der Fügezone. Mit zunehmender Eindringtiefe des Stempels bilden sich partielle Bereiche der Kaltpressverschweißung im gesamten Walkbereich des Werkstoffes aus. Bei einem Trennen der Bleche durch Verdrehung der Fügeverbindung sind spiralförmig verfestigte Materialbereiche erkennbar, hervorgerufen durch eine Art Materialwelle, die lokal durch die radiale Stempelbewegung entstanden ist (Bild 8a). Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass spezifische Prozessparameter der überlagerten Bewegung zur Ausbildung von wellenförmigem Hinterschnitt (Bild 8b) führen, was insbesondere für die Kopfzugbeanspruchbarkeit der Verbindung vorteilhaft ist. Die genaue Analyse dieser beiden Phänomene ist derzeit noch Gegenstand der numerischen Berechnungen. Bild 10 Mit den Erkenntnissen vor allem bezüglich der Werkstoffauswahl wurden die vergleichenden Untersuchungen hinsichtlich der für dieses Verfahren notwendigen Fügekräfte durchgeführt. Dabei konnte experimentell und numerisch festgestellt werden, dass mit einer Überlagerung des linearen Stempelvorschubes durch eine rosettenförmige Bewegung die Kräfte um bis zu 40 % reduziert werden können (Bild 9). Technologieentwicklung Abhängigkeit des Hinterschnitts (links) bzw. der Halsdicke (rechts) vom Innendurchmesser und Kantenradius des Niederhalters Die Überprüfung und Erprobung neuer Stempel- und Niederhaltergeometrien erfolgte stets zeitnah zu den Ergebnissen der Simulation. Insbesondere mit der für die lineare Fügekinematik entwickelten Niederhaltergeometrie mit Innenradiuskontur (VII) konnte eine sehr gute Übereinstimmung mit den vorhergesagten numerischen Ergebnissen erreicht werden. Entwickelte Diagramme, wie z.b. in Bild 10, sind Auslegungshilfen für den Einsatz optimaler Werkzeuggeometrien, mit denen je nach Wichtung verbesserte Hinterschnitte oder Halsdicken erreichbar sind. Durch die Optimierung der Flach- Clinch-Verbindung verbesserten sich die Eigenschaften hinsichtlich Kopfund Scherzugbeanspruchung. Dabei konnte bei Beanspruchung auf Scherzug festgestellt werden, dass bei weichen Werkstoffen (R p0,2 < 500 MPa) die linear gefügten Flach-Clinch-Verbindungen höher belastbar sind, als die konventionell hergestellten Clinchverbindungen mit Überhöhung. Werden Flach-Clinch-Verbindungen auf Kopfzug beansprucht, so ist zu verzeichnen, dass ebenfalls bei weicheren Werkstoffen die Verbindung durchschnittlich 0,5 kn weniger belastbar sind, als die konventionellen. Dies resultiert im Wesentlichen aus den verfahrensbedingt kleineren Hinterschnitten gegenüber konventionellen Clinchverbindungen. Zusammenfassung Mit dem mechanischen Fügeverfahren Flach-Clinchen ist eine einseitig ebene, kraft- und formschlüssig gefügte Verbindung erzielbar, die sich für Anwendungsfälle eignet, in denen sich eine Überhöhung des Verbindungsbereiches aus der Blechebene heraus als störend erweisen würde, wie z.b. beim Anbringen von Dichtflächen oder im Sichtbereich der Bauteile. Diese Technologie wurde bislang ausschließlich experimentell untersucht, besitzt aber eine große Anzahl von Prozesseinflussgrößen, die eine wechselseitige Beeinflussung aufweisen. Aus diesem Grund bestand eine Zielstellung in der Entwicklung eines geeigneten Simulationsmodells, das diese Prozesskenngrößen hinreichend genau abbildet und eine prinzipielle Vorhersage zur Fügbarkeit von gegebenen Anwendungsfällen, einschließlich einer Qualitätseinschätzung der Verbindung, ermöglicht. Zusätzlich sollte die Entwicklung dieses Verfahrens forciert werden und die Überprüfung neuer Kinematiken und Werkzeuggeometrien erfolgen, mit deren Hilfe es gelingt, gegebenenfalls optimierte Verbindungseigenschaften oder z.b. auch reduzier

7 te Fügekräfte zu ermöglichen. Für die lineare Fügekinematik konnte dieser Schritt erfolgreich vollzogen werden, indem ein 2-dimensionales FE-Modell entwickelt wurde, das mit gegebenen Randbedingungen eine sehr gute Vorhersage der Verbindungsausbildung ermöglicht. Die Erstellung eines Modells für überlagerte Kinematiken gestaltete sich dagegen zunächst sehr schwierig, da das erstellte 3-dimensionale Modell sehr hohe Anforderungen an die Rechenleistung und Stabilität der verwendeten Software stellte. Hier gelang es erst mit der neuen Softwareversion eine stabile Berechnung durchzuführen, wobei die Untersuchungen zurzeit noch andauern. Die Ergebnisse der Simulation führten direkt zur Entwicklung neuer Werkzeuggeometrien, die das Potenzial von Flach-Clinch-Verbindungen deutlich vergrößern. Damit konnte gezeigt werden, dass die Ausbildung eines Formund Kraftschlusses innerhalb der Werkstoffdicke und damit eine vollständig ebene Clinch-Verbindung mit soliden mechanischen Eigenschaften realisierbar ist. Des Weiteren bietet das Flach- Clinchen nicht nur neue Möglichkeiten für metallische Werkstoffe, sondern es werden auch neue Einsatzbereiche für das mechanische Fügen erschlossen. So begünstigt das Flach-Clinchen durch die herrschenden Spannungsverhältnisse in der Wirkzone während der Umformung das Clinchen von beschichteten Werkstoffen und das Verbinden artverschiedener Werkstoffe, wie z. B. Kunststoff und Metall. Danksagung Das Forschungsvorhaben wurde mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert. Für diese Förderung danken die Autoren. Institut für Werkzeugmaschinen und und Produktionsprozesse (IWP) Reichenhainer Straße 70 D Chemnitz Tel.: Internet: Autoren Frau Prof. Dr.-Ing. habil. Birgit Awiszus studierte Mathematik/Informatik an der Universität Hannover und promovierte am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) in Hannover. Von 1990 bis 1994 war sie Geschäftsführerin des IPH Institut für Integrierte Produktion Hannover GmbH. Sie habilitierte von 1995 bis 1999 am IFUM Hannover im Fachgebiet Produktionsinformatik. Im Jahr 2000 übernahm sie den Lehrstuhl Fertigungstechnik/Umformverfahren an der Technischen Universität Chemnitz, welcher 2006 in die Professur Virtuelle Fertigungstechnik umgewidmet wurde. Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Ulrike Beyer studierte 1990 bis 1995 Maschinenbau und 1995 bis 1999 Wirtschaftingenieurwesen an der Technischen Universität Chemnitz. Von 1999 bis 2006 arbeitete sie als Projektingenieur bei T-Systems in Berlin. Seit 2006 ist sie wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Professur Virtuelle Fertigungstechnik der Technischen Universität Chemnitz. Dr.-Ing. Marcel Todtermuschke studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Chemnitz mit Hauptfach Schweißtechnik und promovierte 2005 an der Professur Schweißtechnik der TU Chemnitz auf dem Gebiet des Mechanischen Fügens. Seit 2006 ist er im Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz im Bereich Montagetechnologie tätig. PD Dr.-Ing. habil. Frank Riedel studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Chemnitz mit dem Hauptfach Füge- und Montagetechnik, promovierte 1997 und habilitierte 2004 an der Professur Schweißtechnik. Von 2003 bis 2006 leitete er die Professur Schweißtechnik kommissarisch. Seit 2006 leitet er den Aufbau des Fachgebietes Thermische Bearbeitungstechnik am Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz.