Verbindungstechnik im Leichtbau - Innovative Ansätze zum Fügen von FVK

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1 Verbindungstechnik im Leichtbau - Innovative Ansätze zum Fügen von FVK Referent: Dipl.-Ing. Manuel Schuster Abteilung Leichtbautechnologien Fraunhofer IPA

2 Einleitung Zunehmend branchenübergreifender Einsatz von faserverstärkten Bauteilen Herausforderung für die Verbindungstechnik Erschwerte Auswahl eines anforderungsgerechten Fügeverfahrens Konventionelle Fügeverfahren häufig ungeeignet Kombination konventioneller Fügeverfahren zu hybriden Verfahren Schweißen Kleben Schrauben Clinchen Falzen Löten Nieten Quelle: Folie 2

3 Einleitung Aufgabe Übertragung von Kräften und Momenten zwischen Bauteilen Erfüllung spezifischer Anforderungen Wirkmechanismen Formschluss Kraftschluss Stoffschluss Quelle: Quelle: Quelle: Folie 3

4 Schrauben Häufigstes Maschinenbauelement Normteil Kraftschluss/Formschluss Verschiedenste Schraubenarten Zerstörungsfrei lösbar Quelle: Gefahr des ungewollten Lockerns und Lösens Zusatzgewicht durch zusätzliches Verbindungselement Meist Vorlochoperation und Gewindeschneiden nötig Quelle: Folie 4

5 Leichtbauwerkstoffe FVK (Faserverstärkter Kunststoff) Dichte [kg/dm³] E-Modul [GPa] Streckgrenze [MPa] Zugfestigkeit [MPa] Wärmeausdehungskoeffizient [10^-6*1/K] Stahl hochfeste Stähle Aluminium Magnesium Titan Kunstsoff FVK 7,85 7,86 2,7 1,7 4,5 0,9 1,5-2, bis bis bis bis ,1 24,8 8, Folie 5

6 Leichtbauwerkstoffe - FVK Anisotropie: CFK: GFK: Faservolumengehalt: Filament: Roving: Laminat: Richtungsabhängigkeit einer Eigenschaft Kohlefaserverstärkter Kunststoff Glasfaserverstärkter Kunststoff Verhältnis Faservolumen zum Gesamtvolumen Einzelfaser Bündel aus Einzelfilamenten besteht aus miteinander verbundnen Einzelschichten Quelle: Henning, Handbuch FVK-AVK Folie 6

7 Verbindungstechnik für Faserverbundwerkstoffe Herausforderung beim Fügen von Faserverbundwerkstoffe Bearbeitbarkeit des faserverstärkten Werkstoffes Mechanische, thermische und chemische Eigenschaften Kraftflussgerechte Umsetzung der Fügestelle (Anisotropie) Innovative Fügeverfahren notwendig konventionelle Schraubtechnologie nicht faserverbundgerecht Folie 7

8 Hybride Fügeverfahren Kombinierte Nutzung der spezifischen Vorteile einzelner Verfahren Verbesserte Taktzeit Sicherheit Verbesserte Korrosionsbeständigkeit Entlastung Schälbeanspruchung Quelle: Fraunhofer IFAM Niet Komponenten Quelle: Klebschicht Quelle: Folie 8

9 Faserverbundgerechtes Fügen Herausforderung Fügen eines Verbundwerkstoffes Lokale Schwächung der Bauteilstruktur im Bereich der Fügezone Ziel Fasern in Fügezone Kraftflussgerechte Auswahl Fügeverfahren Ausgangssituation Kleben Schmelzschweißen Rührreibschweißen Folie 9

10 Rührreibschweißen - Allgemeines Nach DIN EN ist das Rührreibschweißen den Pressschweiß- bzw. Reibschweißverfahren untergeordnet Deutsch: Rührreib- bzw. Reibrührschweißen Englisch: Friction Stir Welding - FSW Erfinder: Dr. Wayne Thomas TWI The Welding Institut Cambridge Hauptpatent erteilt 1992 bzw Seither über 3000 Unterpatente und über 250 Lizenznehmer Quelle: RIFTEC GmbH Quelle: RIFTEC GmbH Folie 10

11 Rührreibschweißen - Allgemeines Das Werkzeug Werkzeugschulter Werkzeugpin Werkzeugklemmfläche Der Wirkmechanismus Plastifizierungsenergie durch Reibung Vermischen des plastifizierten Materials unter dem Werkzeug durch Rotation Folie 11

12 Rührreibschweißen - der Prozess Eintauchphase Werkzeug wird in Rotation versetzt Werkzeug wird axial in das Werkstück eingeführt Eintauchbewegung endet wenn die Werkzeugschulter in Kontakt mit dem Werkstück steht Folie 12

13 Rührreibschweißen - der Prozess Verweilphase Rotierendes Werkzeug wird auf das Bauteil gedrückt Keine Vorschubbewegung Verweildauer abhängig der benötigten Wärmeenergie Folie 13

14 Rührreibschweißen - der Prozess Schweißphase Rotierendes Werkzeug wird auf das Bauteil gedrückt und nun entlang des Fügestoßes geführt Vorschubgeschwindigkeit abhängig von der aufgrund von Reibungseffekten in das Werkstück eingebrachten Wärmeenergie Folie 14

15 Rührreibschweißen - der Prozess Abheben des Werkzeuges Ende der Schweißnaht Werkzeug wird aus Werkstück herausgefahren Zurück bleibt ein für Rührreibschweißnähte charakteristischer Endkrater Folie 15

16 Rührreibschweißen von thermoplastischen Kunststoffen Unterschied Kunststoff Metall: Werkstoff wird aufgeschmolzen Deutlich geringere Prozesskräfte Versuchsaufbau Verwendung einer Werkzeugmaschine Aufspannvorrichtung Werkzeugbaukasten Folie 16

17 Rührreibschweißen von thermoplastischen Kunststoffen Schweißergebnisse Polypropylen (ohne Aufheizvorrichtung - AV) Sehr hohe mechanische Eigenschaften der Schweißnähte Ebene und optisch hochwertige Nahtoberfläche Vorschubgeschwindigkeit sehr niedrig Einfluss der Schweißparameter Instationärer Bereich Stationärer Bereich Instationärer Bereich Folie 17

18 Entwicklungsstufen des Rührreibschweißwerkzeuges Neueste Werkzeuggeneration: Annähernd konstante Anpresskraft Wassergekühlt Geeignet für IR-Aufheizvorrichtung Einsetzbar in konventioneller CNC-Fräsmaschine Folie 18

19 Rührreibschweißen von thermoplastischen Kunststoffen Vergleich Rührreibschweißen Vibrationsschweißen Kleben Nieten Qualitätskontrolle der Fügestelle o o - + Mechanische Eigenschaften der Fügestelle + + o o Faserverbundgerecht + o - - Zuführen von Zusätzen + o o - Variabilität o - + o Schmutzunempfindlichkeit o o - + Prozessgeschwindigkeit - (+) AV + o + Toleranzausgleich (Spalt) + o o + Anlagenkosten o Folie 19

20 Rührreibschweißen von thermoplastischen Kunststoffen Ausblick Verwendung hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit optimierter Kunststoff-Compounds Vertiefung des Prozess-Know-Hows faserverstärkten Kunststoffen Wood-Plastic-Compounds (WPC) Verbesserung der Flexibilität durch roboterbasierten Rührreibschweißendeffektor Einsatz des Rührreibschweiß-Handgerätes Folie 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer IPA - Institut für Produktionstechnik und Automatisierung Abteilung Leichtbautechnologien Holzgartenstraße 17, Stuttgart Dipl.-Ing. Manuel Schuster Tel.: manuel.schuster@ipa.fraunhofer.de Folie 21