Effiziente Fügetechniken für hybride Leichtbaustrukturen

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1 Prof. Dr.-Ing. G. Meschut, F. Augenthaler, V. Sartisson Effiziente Fügetechniken für hybride Leichtbaustrukturen 15. Werkstoff-Forum, Hannover Messe Folie 1 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 Folie 2

2 Leichtbaukonzepte und Bauweisentrends im Automobilbau Leichtbaupotential FKV Anbauteile Al-Spaceframe FKV-Strukturen Body in Black Al-Schalenbauweise Stahlprofilbauweise Stahl- Spaceframe Faser-Kunststoff- Verbunde FKV Stahl- Schalenbauweise Metall/FKV Mischbau Magnesium Bauteile Großserienfähigkeit Advanced LM-Spaceframe Stahl/Aluminium Mischbau Optimierte Stahl- Schalenbauweise Fügetechnik: Schlüsseltechnologie für ressourceneffiziente Hochleistungsverbundsysteme Quellen: Audi, BMW, Daimler, Volkswagen Folie 3 Vision: Faser-Kunststoffverbunde im Automobil Quelle: Audi Strukturelle FKV-Bauteile in der Großserie im intelligenten Mischbau Quelle: Audi Injektionsverfahren Direct Fiber Placement Pressverfahren Folie 4

3 Herausforderungen beim Fügen von FKV- / Metall-Bauweisen Artverschiedene Werkstoffe z.b. unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten ( α-problematik) Extreme Festigkeiten / geringes Umformvermögen z.b. Delaminationen / Faserschädigung Einseitige / Eingeschränkte Zugänglichkeit z.b. in profilintensiven Bauweisen Kosten z.b. für Anlagen, Hilfsfügeteile, Bauteilvorbereitung Materialgerechte Krafteinleitung z.b. optimale Faseranbindung Wärmeempfindliche Materialien z.b. Schädigung der Matrix (Duroplast / Thermoplast) Source: Porsche Quelle: Lamborghini Oberflächendefinition z.b. geringe Adhäsion durch Trennmittel Zusätzliche Korrosionseffekte z.b. durch hohe elektrochemische Potenzialunterschiede zwischen Fügepartnern / Verbindungselementen Bedarf an leistungsfähigen Fügetechnologien Folie 5 Entwicklung effizienter Fügetechnologien für FKV- / Metall-Bauweisen Stoffschluss Effiziente Hybridfügetechnologien Stoffschluss Kraft- und Formschluss Audi R8 mit 310 fließlochformenden Schrauben Evolution thermischer, adhäsiver und mechanischer Verfahren Revolution : Neue (hybride) Technologien Quellen: Audi, Böllhoff, Linde, SCA Schucker, RIFTEC Folie 6

4 Forschungsbedarf beim Fügen von FKV Analyse und Verringerung von Delaminationen und Schädigungen Anforderungsgerechte Weiterentwicklung von Fügeverfahren Korrosionseffekte, Beschichtungen, Kriechvorgänge, Stäube, Entwicklung geeigneter Prüf- und Berechnungskonzepte Folie 7 Delamination FVK Problemstellung Herausforderung beim Stanznieten von FKV-Metall-Strukturen Stanzen Schädigungsinduzierung in Faser-Kunststoff-Verbunden: Faserbrüche Zwischenfaserbrüche Delaminationen Unbekanntes Schadenspotential für Verbindung und Werkstoff Risiken bei vorhandenen Delaminationen Schadensdetektion: Computertomographie Gefahr Stabilitätsversagen Erhöhte Deformation Dauerfestigkeit herabgesetzt Druckfestigkeit stark reduziert [Quelle: Department of Aeronautics, Imperial College London] Hohe Auflösung Räumliche Informationen In-Situ CT [Quelle: ILK] Folie 8

5 Delamination FVK Prüfkörperherstellung Problematik bei Defektdetektion in der Computertomographie Ausgeprägtes Überblenden im Übergang FKV-Metall Schließen von Delaminationen aufgrund von starken Klemmkräften Probenanfertigung mit Abbildung des Stanznietprozesses ohne Metallanteil gefordert! Artefaktbildung 2mm CFK Delamination Klemmkräfte F F Methodik Vollstanznieten Verlierender Stempel Methodik Halbhohlstanznieten Modifizierter Niet: abnehmbarer Flachrundkopf Fügen Ausdrücken Klemmen Stanzen Verprägen Deckblech entnehmen Entfernen Setz-/Schließkopf Folie 9 Delamination FVK Schädigungsbewertung Vorgehen Detektion Computertomograph-Scan Volumenmodell Unterscheidung einzelner Delaminationen Bestimmung des gesamten Defektvolumens Erarbeitung eines Schädigungsfaktors Reduktion der Ursprungsfestigkeit des Werkstoffs / Verbunde Ziel: Optimierung des Prozesses hinsichtlich Defekteinbringung Vorgehen Kennwertermittlung Einbringen definierter Schädigungsgrade Auswirkung auf Tragfähigkeit Lebensdauerbetrachtung In-Situ-CT Lochleibungsfestigkeit F Tragfähigkeit t Kerbfestigkeit (Zug / Druck) Tragfähigkeit [Quelle: ILK] Ziel: Ermittlung des Einflusses der Schädigung auf Laminat- und Verbindungsfestigkeiten Folie 10

6 Delamination FVK Einfluss des Halbhohlstanznietens auf Druckkerbfestigkeit Geprüfte Zustände 1. Zirkulargefrästes Loch (keine Schädigung) Referenz 2. Stanzgenietetes Loch, offen Einfluss Schädigung 3. Stanzgenietetes Loch, geschlossen Anwendungsfall Druckkerbfestigkeit [MPa] CF-EP / HC340LA offen stanzgenietet CF-EP / AC-600 PX offen stanzgenietet CF-EP offen zirkulargefräst CF-EP / HC340LA geschlossen stanzgenietet CF-EP / AC-600 PX geschlossen stanzgenietet Werkstoff CF-EP MD-Gelege HC340LA / 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 Folie 11 Schließelement-Stanznieten Darstellung des Verfahrens Problemstellung Lösungsansatz Bislang keine serienreife Technologie zum vorlochfreien mechanischen Fügen von Verbindungen mit FKV auf der Matrizenseite Quelle: Volkswagen Fügerichtung? Weiterentwicklung des Vollstanznietens zum vorlochfreien Fügen von Mischbauverbindungen mit FKV Erzeugung formschlüssiger Verbindungen ohne Umformung von Niet oder matrizenseitigem Werkstoff durch Einsatz eines Schließelements Verfahrensablauf Folie 12

7 Entwicklungsmethodik für das Schließelement d i ø Loch: Kein Loch Variation des Durchmessers Optimierter Prozess: Schließelement- Stanznieten Entwicklungsfortschritt Matrizengeometrie Minimale Fügekräfte Spannung σ Dehnung ε Werkstoffeigenschaften Schneidverhalten Optimierung durch Simulation d A t Projektlaufzeit Folie 13 Schließelement-Stanznieten Einfluss des Schließelementwerkstoffs Werkstoffhärte: Deckmaterial < Schließelement 2 mm 2 mm SE-Werkstoff: ø Niet 2 mm ø Butzen Werkstoffhärte: Deckmaterial > Schließelement 2 mm SE-Werkstoff: EN AW-6060 T66 2 mm 2 mm Folie 14

8 Schließelement-Stanznieten Einfluss des Schließelementgeometrie Keine Schneide Schneidkante Einlaufschneidkante ESK Große Mengen CFK-Partikel in Ringnuten Geringere Mengen CFK- Partikel und Schneidkantenreste in Ringnuten Kaum CFK-Partikel und keine Schneidkantenreste in Ringnuten Folie 15 Schließelement-Stanznieten Erreichbare Scherzugfestigkeit Maximalkraft in kn 5,00 4,50 Maximalwert arithm. Mittel CFK-Versagen CFK-Versagen Metall-Versagen Niet-Versagen F Max = 4,54 kn F Max = 4,51 kn F Max = 4,14 kn F Max = 3,14 kn Werkstoff 1. Metallischer Fügepartner 2. CFK-Werkstoff 3. Schließelement Minimalwert 4,00 n=5 3,50 Fügeverfahren Schließelement-Stanznieten, Blindnieten 3,00 2,50 2,00 Niet MBN: BN: TIFAS Grip 4 x 12 mm Überlappung Lü=20 mm (12mm L R CFK, 1,50 8mm L R Metall) Prüfmaschine 1,00 0,50 Zwick Z100; v = 10 mm/min Wegmessung FDM - Aufnehmer 0,00 1. HC340LA 1. HC340LA 1. EN AW-6181 T6 1. HC340LA 2. CF-PA CF-PA CF-PA CF-PA (Blindniet) 2 1 Folie 16

9 Funktionselemente FKV Problemstellung Wirtschaftliche Fügetechnologie für Montageanwendungen von FKV mit Metallstrukturen erforderlich Delaminationsgefahr Kriechneigung Kunststoffmatrix Hohes Korrosionspotential der Kohlenstofffaser [Quelle: BMW] Projektziel Anbindung von FKV-Bauteilen an Metallstrukturen mittels lösbarer Schraubverbindungen im Hinblick auf einen hohen Automatisierungsgrad Metallische Strukturen Faser-Kunststoff-Verbunde Einnietmutter Blindnietmutter Nietmutter Stanznietmutter Blindnietmutter Folie 17 Stanznietmuttern Analyse von Delaminationen Gestanzt (Ersatzwerkzeug) Zirkularfräsen Hersteller Typ Olympus OmniScan MX2 Phased-Array- Modul 16:128 Tauchtechnik- Sensor 10 MHz Phased Array 128 Elemente Aktive Aperture 64 x7 mm Pitch 0,50 mm Elevation 7 mm 5mm 5mm Weggeber ENC1-2.5-DE Resultat Theoretischer Lochdurchmesser d = Ø 9 mm Referenz: Zirkularfräsen ohne Delamination Erfassung geschädigter Bereich im Rückwandecho Messung der maximalen Ausdehnung durch Scherschneidprozess Folie 18

10 Funktionselemente FKV Korrosionsuntersuchungen Prüfkörperaufbau Probenanordnung in Salzsprühnebelkammer Übersicht Blindnietmuttern Korrosionstest (VDA ) Bezeichnung Part 2.1 Part 2.3 Optimiert Oberfläche ZE + Passivierung + Zinklamelle ZE + Passivierung + KTL Passivschicht Schichtdicke in µm 14 (8 + 6) 27 (8 +19) Wöchentliche Bestimmung des Schutzgrads RP durch äußere Begutachtung Folie 19 Funktionselemente FVK Korrosionsuntersuchungen - Beispiel BNM -St -2.1 BNM -St -2.3 BNM - A2 - optimiert BNM - A4 - optimiert BNM - A2 - optimiert Woche 10 Woche 0 5 mm 5 mm BNM -St -2.1 BNM -St -2.3 BNM - A4 - optimiert 5 mm 5 mm Basiswerkstoff Funktionselement Oberfläche KWT VDA Prüfzeitraum CF-PA66 Gewebe t = 2,0 mm BNM M6 Siehe Abb h (10 Zyklen á 168 h) 10 Wochen Ziel: Substitution von hochlegierten Chrom-Nickel-Stählen durch günstigere, beschichtete Kaltstauchstähle Folie 20

11 Direktverschrauben FVK Problemstellung Vorlochfreie Fügetechnologie für das Verbindungen von FKV mit Metallstrukturen bei einseitiger Zugänglichkeit erforderlich Kriechneigung Kunststoffmatrix Gefährdungspotential durch entstehende Faserstäube beim Direktverschrauben von FKV Messung der Klemmkräfte 80 C, 22 h Lagern Abkühlung bei Raumtemperatur ca. 1,5 h. Auswertung [C ] T80 T20 [s ] Folie 21 Direktverschrauben FVK Klemmkraftverlust durch Kriechen Klemmkraft in kn 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Klemmkraft vor thermischer Belastung Klemmkraft nach thermischer Belastung 15,8% 1,9 1,6 3,2 2,7 3,3 11,4% 10,8% 15,6% 3,7 4,4 3,9 6 Nm 8 Nm 10 Nm 12 Nm Fügeteilwerkstoffe 1. CFK- Gewebe/PA66 t = 2,00 mm Vorloch= Ø 7 mm 2. HC340LA t = 1,50 mm Fügeverfahren Fließlochschrauben Hilfsfügeelement Betzer M5 x 25, ZnNi, V, (st.) Verschraubungsparameter N1=3000 min-1 FA1= 3,0 kn N2= 300 min-1 FA2= 1,0 kn MA= siehe Diagramm Klemmkraftmessung 80 C, 22 Std. Abtastfrequenz = 50 / 2 Hz Geringe Klemmkraftverluste durch thermisches Kriechen des Matrixwerkstoffes in 2 mm CFK-Gewebe PA66 Folie 22

12 Zusammenfassung Herausforderungen beim Fügen im Mischbau Artverschiedene Werkstoffe Materialgerechte Krafteinleitung Wärmeempfindliche Materialien Einseitige / Eingeschränkte Zugänglichkeit Quelle: Lamborghini Kosten Oberflächendefinition Zusätzliche Korrosionseffekte Innovative Lösungen Funktionselemente Vollstanznieten Extreme Festigkeiten / geringes Umformvermögen Halbhohlstanznieten Schließelement- Stanznieten Ausblick Serientaugliche Fügeverfahren für automobile FKV-Anwendungen Maximale Werkstoffausnutzung durch optimale Lasteinleitung in die FKV-Struktur Kompensation thermischer Ausdehnungs- und elektrochemischer Potentialunterschiede Fügetechnik für FKV-Reparaturlösungen Herausforderungen mit innovativen (Hybrid-) Fügetechnologien begegnen Fügen = Schlüsseltechnik für den Leichtbau mit FKV! Folie 23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Förderhinweis: Die IGF-Vorhaben Nr BG/1 / EFB-Nr. 02/112; N / EFB-Nr. 02/211; N / EFB-Nr. 01/112; N / EFB-Nr. 04/112 der Forschungsvereinigung Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.v. (EFB), Lothringer Str. 1, 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. Folie 24