Verbindungstechniken für das Multi-Material-Design Prof. Dr.-Ing. O. Hahn Dr.-Ing. T. Wibbeke* Dr.-Ing. S. Somasundaram München, 09.11.2010 Folie 1
Agenda Arbeitsschwerpunkte am LWF Entwicklung der Automobilbauweisen Fügetechniken für Mischbauweisen Ausgewählte Ergebnisse aus Forschungsprojekten Zusammenfassung Folie 2
Arbeitsschwerpunkte am LWF Werkstoff- und Bauteilprüfung Kennwertermittlung unter Variation der Lasteinleitung sowie Temperaturund Medienbelastung Bauteilprüfung Schadensanalyse Werkstoff Analytik Stoffgesetze Konstruktion Auslegung und Gestaltung Verbindungskennwerte Berechnungskonzepte Fertigung Fügesysteme Prozessanalyse Prozesssteuerung Prozessüberwachung Leichtbau Verbindungstechnik Konstruktion Fertigung Bauteileigenschafteeigenschaften Reparatur Bauteil- Recycling Informationstechnik Technologietransfer Wissensmanagement Wissensbasierte Systeme Personalqualifizierung Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen im Bereich der Verbindungstechnik FEM Prozesssimulation Beanspruchungsanalyse Folie 3
Entwicklung im Automobilbau Zu Beginn des 21. Jahrhunderts: BMW 7er BMW M3 Quelle: Daimler AG Quelle: Audi AG konventionelle Stähle hochfeste Stähle moderne hochfeste Stähle ultrahochfeste Stähle, warmumgeformt Aluminium Kunststoffe Aluminiumguss Quelle: BMW AG geklebtes geklebtes Aluminiumprofil Al-Dach auf Stahl CFK-Dach auf Stahl Aluminiumblech Steigende Anforderungen an Fügetechnologien durch Leichtbaukonzepte Folie 4
Entwicklungen Kontra Fügetechnik? Quelle: BMW AG Trends - Mischbauweise - Einsatz hoch- und höchstfester Stähle Fügen mit Halbhohlstanznieten (600St.) u. Halbhohlstanznietkleben - Einsatz beschichteter Werkstoffe - Einsatz von Aluminium, Magnesium und faserverstärkter Kunststoffe -... Alternativen zum thermischen Fügen - Mechanisches Fügen - Kleben - Hybridfügen Folie 5
Fügetechniken für das Verbinden von artverschiedenen und beschichteten Werkstoffen Kleben Blindnieten Schrauben Quelle: ATZ Stanznieten (Vollniet) Schweißlöten Falzen Verfahrenskombinationen (Hybridfügen) Stanznieten (Halbhohlniet) Quelle: BMBF-Projekt 03N3077D1 Folie 6
Einteilung - Mechanisches Fügen mit und ohne Vorloch Mechanisches Fügen mit Hilfsfügeteil mit Vorlochen ohne Vorlochen einseitige zweiseitige einseitige zweiseitige Blindnieten, Direktverschrauben Voll- und Hohlnieten, Schließringbolzen Direktverschrauben Bolzensetzen Stanznieten Folie 7
Mechanisches Fügen / Voll- und Halbhohlstanznieten Prozessschritte beim Halbhohlstanznieten (HSN) 1. Fixierung und Aufsetzen auf Bauteil 2. Eindringen 3. Verformung von Niet und Fügeteile 4. Rückhub Matrize Niederhalter Nietstempel 1 1 2 3 4 2 3 4 Prozessschritte beim Vollstanznieten (VSN) 1. Fixierung und Aufsetzen auf Bauteil Niederhalter Nietstempel 1 2 3 4 2. Durchstanzen 3. Prägen 4. Rückhub Matrize Folie 8
Mechanisches Fügen - Vollstanznieten Anwendungsbeispiele Fensterheber aus verzinktem Stahl Wärmeabschirmblech, Stahl mit Aluminium Guss Führungsschiene aus Aluminium für Fensterheber Delaminationsgefahr bei stempelseitig angeordneten faserverstärkten Kunststoffen PA6.6CF45; t=2,0 mm AlMgSi0,7; t=2,0 mm Quelle: Kerb Konus Optimierung der Kopfgeometrie Quelle: BMBF-Projekt 03N3077D1 Folie 9
Anwendungsbeispiel - Stanznieten mit Halbhohlniet Aktuelle S-Klasse von Mercedes Benz: Mischbauweise aus Aluminium und Stahl 105 Halbhohlstanzniete kombinierter Einsatz von Strukturklebstoff Quelle: Daimler AG Folie 10
Einteilung - Mechanisches Fügen mit und ohne Vorloch Mechanisches Fügen mit Hilfsfügeteil mit Vorlochen ohne Vorlochen einseitige zweiseitige einseitige zweiseitige Blindnieten, Direktverschrauben Voll- und Hohlnieten, Schließringbolzen Direktverschrauben Bolzensetzen Stanznieten Folie 11
Mechanisches Fügen - Fließformschrauben Prozessschritte beim Fließformschrauben (FLS) 1. Aufsetzen auf Bauteil 2. Erwärmen der Bleche 3. Durchdringen des Materials Klemmteil 1 F n 2 3 4 Verfahrensvariante mit Vorloch 5 6 4. Furchen eines metrischen Gewindes 5. Durchschrauben Einschraubteil 6. Anziehen auf Drehmoment 1 F n 2 3 4 ohne Vorloch 5 6 Folie 12
Einfluss des Vorlochens auf das Kraft-Verformungs-Verhalten fließformgeschraubter Mischverbindungen 10 9 8 0 ohne Vorloch Probenform LWF-KS-II Prüfeinrichtung Nene; vp = 10 mm/min 7 0 mit Vorloch 60 90 Kraft in kn 6 5 4 90 ohne Vorloch 30 0 3 2 1 0 90 mit Vorloch 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Lokale Verformung in mm Klemmteil AlMg0,5Si0,6Cu (1,5 mm) Einschraubteil HC340LA (1,5 mm) Fügeverfahren FLS mit/ohne Vorloch Fügeelement FDS M5 x 18 Quelle: Saab Folie 13
Einfluss des Vorlochens auf das Kraft-Verformungs-Verhalten fließformgeschraubter Mischverbindungen 4 kn 3,5 Werkstoffe CF(QI)-UP50 / AlSi10MgMn Ausgangsdicke(n) 1,3 mm / 2,3 mm Kraft 3 2,5 2 F F F Oberfläche(n) - / B0 299/4M Zugversuch Scherzug, Sonderschälzug b=45 mm, l Ü =16 mm Prüfgeschwindigkeit 10 mm/min Fügeverfahren Direktverschrauben 1,5 1 F/2 F/2 Schraube: FDS M6 x 24 Mit Vorlochen 0,5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Weg m Ohne Vorlochen Scherzug Schälzug DaimlerChrysler Porsche Volkswagen LWF Quelle: BMBF-Projekt 03N3077D1 Folie 14
Einteilung - Mechanisches Fügen mit und ohne Vorloch Mechanisches Fügen mit Hilfsfügeteil mit Vorlochen ohne Vorlochen einseitige zweiseitige einseitige zweiseitige Blindnieten, Direktverschrauben Voll- und Hohlnieten, Schließringbolzen Direktverschrauben Bolzensetzen Stanznieten Folie 15
Mechanisches Fügen - Hochgeschwindigkeitsbolzensetzen Fügestelle Beplankung aus Al, St, Mg, FVK, V» 10 m/s 1 2 www.scalight.de 3 Struktur [Profil] aus St, Al Benefits lediglich einseitige en notwendig hohe Flexibilität bei hoher Produktivität hohe Fügegeschwindigkeiten Fügen unterschiedlicher Werkstoffe Fügen höchstfester Werkstoffe Quelle: Böllhoff Quelle: Benteler Beplankung aus Al, St, Mg, FVK, Struktur, B-Säulenverstärkung aus 22MnB5 Folie 16
Hochgeschwindigkeitsbolzensetzen - Fügespektrum Aluminium-Blech sheet Aluminium-Profil profile Faserverstärkte Plastics Kunststoffe Aluminium-Blech sheet Stahl-Blech Steel sheet Pressgehärteter Stahl 1600 MPa Top layer up to 1000 MPa Base layer up to 1600 MPa Aluminium-cast materials Al-Gusswerkstoffe Mehrlagen- Multi-layers joints Verbindungen Hybridfügen Hybrid joining Quelle: Böllhoff Folie 17
α α - Problematik in der Mischbauweise Folie 18
FE-Simulation der α - Problematik α Entwicklung und Vermessung bauteilähnlicher Demonstratoren z Displacement in mm z max = 13 mm Entwicklung von FE-Modellen und -Submodellen Kennwertermittlung Quelle: Jendreny, Figge, Wetter Folie 19
Zusammenfassung Die Gewichtsreduzierung von Fahrzeugen kann durch konsequente Umsetzung der Mischbauweise erreicht werden Die Fügetechnik erlangt eine Schlüsselfunktion bei der Anwendung der Mischbauweise Thermische Fügeverfahren stoßen bei Fügeaufgaben in Mischbauweisen oftmals an ihre Verfahrensgrenzen Neue Fügekonzepte müssen für die Mischbauweise entwickelt werden Insbesondere die Problematik der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Korrosion müssen beachtet werden Die mechanischen und klebtechnischen Fügeverfahren und deren Kombination bieten ein großes Entwicklungspotential zur Lösung der Fügeaufgaben in der Mischbauweise Schnelle Produktentwicklungen erfordern Werkzeuge und Stoffdaten zur Simulation der Prozesse und der Verbindungseigenschaften Folie 20