DLR.de Folie 1 Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe Carmen Scholz M.Sc. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Institut für Fahrzeugkonzepte Leichtbau und Hybridbauweisen 3. Technologietag Hybrider Leichtbau 07.06.2016, Stuttgart
DLR.de Folie 2 Agenda Motivation Fügen von Sandwichstrukturen Vorstellung Forschungsprojekt PuVerSand Zielsetzung & Lösungsansätze Projektstruktur Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Ausblick
Folie 3 Motivation Fügen von Sandwichstrukturen Punktförmig & Lösbar? Stoffschlüssiges Fügen Klebeverbindung Querkrafteinleiter Adhäsive Inserts Eingeschäumte Einlegeteile Fügetechniken für Sandwichstrukturen Mechanisches Fügen Verschraubung Bolzen-/Nietenverbindung Metallische Verbinder Harzversteifung Nachteile bestehender Verbindungkonzepte: Hoher Montageaufwand Oft deutliche Gewichtssteigerung Thermisches Fügen Laserstrahlschweißen Löten Bildquelle: www.promobil.de Bildquelle: Composult Bildquelle: R&G Faserverbundwerkstoffe Bildquelle: [1] Composite Consulting AB GmbH Fehlen von Material- und Versagensmodellen Leichtbaupotenzial von tragenden Sandwichstrukturen bekannt aber nur eingeschränkt nutzbar Quelle: [1] A. Kempf Entwicklung einer mechanischen Verbindungstechnik für Sandwichwerkstoffe, Dissertation, 2004.
Folie 4 Motivation Fügen von Sandwichstrukturen Anwendungsbeispiele Anwendungen für tragende Sandwichstrukturen im Fahrzeugbau sind besonders in innovativen Straßenfahrzeugkonzepten Wohnmobilen Transportfahrzeugen zu finden. Next Generation Car Fahrzeugkonzept Safe Light Regional Vehicle in Sandwichbauweise Bildquelle: DLR-FK Projekt NGC Wohnmobil Hymermobil B-Klasse Bildquelle: HYMER
Folie 5 Vorstellung Forschungsprojekt PuVerSand Entwicklung von Konzepten und Auslegungsstrategien zum punktförmigen Verbinden von innovativen, strukturell tragenden Sandwichstrukturen Laufzeit: Februar 2016 bis Februar 2017 PuVerSand = Punktförmiges Verbinden von Sandwichstrukturen Fördergeber Forschungspartner Industriepartner Institut für Fahrzeugkonzepte Unterstützung durch
Folie 6 Zielsetzung 1. Entwicklung von Konzepten zum punktförmigen & lösbaren Verbindung von Sandwichstrukturen 2. Optimierung des Gesamtverbundsystems hinsichtlich Auslegung, Berechnung, Simulation und Applikationsprozess 3. Schaffung von Grundlagen für eine virtuelle Fügeelementauswahl und Bauteildimensionierung auf der Basis von Finiten Elemente Simulationen 4. Erarbeitung einer methodischen Auslegungs- und Prüfungsmethodik für tragende Sandwichstrukturen für vielen Einsatz- und Industriebereiche
Folie 7 Lösungsansätze Drei innovative Verbindungstechniken Fügen von Sandwichstrukturen Art des Zusammenhalts stoffschlüssig 1. Reibschweißelemente Vorteil / Nachteil Optimierung Setzen in einem Schritt Bisher nur für thermoplastische Kunststoffe Decklagen aus Aluminium oder GFK Bildquelle: EJOT Übertragung auf weitere Materialsysteme form- & kraftschlüssig 2. Kunststoffschrauben Keine thermische Beeinflussung Geringer Lastübertrag Auslegung für höhere Belastungen Bildquelle: EJOT duroplastischer oder thermoplastischer Polymerschaumkern unterschiedlicher Dichte form-, kraft- & stoffschlüssig 3. geklemmtes / geklebtes Insert Bildquelle: SECAM Krafteinleitung in beide Decklagen Aushärtezeit des Klebstoffs Reduktion der Prozesszeiten
Folie 8 Projektstruktur Verknüpfung der Arbeitspakete Herstellung Experimentelle Charakterisierung Elementprobe Sandwichmaterialien Reibschweißelemente Kunststoffschrauben geklemmtes/geklebtes Insert generische Bauteile Elementebene Verbund Struktur Verbundproben Scherzug Kopfzug Generisches Bauteil
Folie 9 Projektstruktur Verknüpfung der Arbeitspakete Herstellung Experimentelle Charakterisierung Numerische Simulation Detailmodellierung Aufbau von detaillierten FE-Modellen Simulation der Versuche und Analyse der lokalen Dehnungs-, Spannungsverteilung und auftretenden Bruchmechanismen Ableitung von festigkeitssteigernden Änderungen in geometrischer, mechanischer und werkstoffspezifischer Ausprägung der Verbindungselemente Detailmodellierung Ersatzmodellierung Ersatzmodellierung Auswertung erster numerischer Ansätze zur Beurteilung der Simulierbarkeit von mechanisch gefügten Sandwichwerkstoffen Bewertung der Übertragbarkeit des Verbindungs- Ersatzelements von Proben auf Bauteile d.h. von einfachen auf komplexere Belastungszustände Bildquelle: M. Bier, S. Sommer: Experimentelle Untersuchung und Simulation des Crashverhaltens mechanisch gefügter Verbindungen, FOSTA P837 / AiF IGF 352ZBG
Folie 10 Projektstruktur Verknüpfung der Arbeitspakete Herstellung Experimentelle Charakterisierung Numerische Simulation Sandwichmaterialien Reibschweißelemente Kunststoffschrauben geklemmtes/geklebtes Insert generische Bauteile Elementebene Verbund Struktur Bewertung Simulationsmethodik Detailmodellierung Ersatzmodellierung Klebprozessoptimierung Auswahlstrategie
DLR.de Folie 11 Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Versuchsdurchführung Probenmaterial Polymerschäume unterschiedlicher Dichte Duroplast: PUR-Schaumstoff Polyurethan Dichte 50 bis 200 kg/m 3 Zugfestigkeit 0,22 bis 1,15 MPa Thermoplast: PET-Schaumstoff Polyethylenterephthalat Dichte 60 bis 210 kg/m 3 Zugfestigkeit 1,50 bis 3,00 MPa Verbindungselemente Kunststoffschrauben mit verschiedenen Geometrien EJOT EPPsysD Maße: 15x25, 10x30, 15x32 mm Experimentelle Charakterisierung Verschraubungsversuche Bestimmung des optimalen Anziehdrehmoments Kopfauszugversuche Prüfgeschwindigkeit 1,8 mm/min Bestimmung der quasistatischen Verbindungsfestigkeit
Folie 12 Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Parameterdefinition Verschraubungsversuche Bestimmung des optimalen Anziehdrehmoments M A Formel: M A = M E + k (M Ü M E ) [2] mit Sicherheitsfaktor k = 0,5 M A = 1,3 Nm 2,5 Überdrehmoment M Ü 2 Drehmoment [Nm] 1,5 1 0,5 Beginn plastische Verformung Gewindeform -moment M A Plastische Verformung Eindrehmoment M E aus Gewindeform- und Reibmoment (Kopf liegt auf) Kurz vor Überdrehmoment Während plastischer Verformung 0 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Zeit [ms] Momentverlauf beim Einschrauben einer EPPsysD 10x30 in PET100 (= PET-Schaum mit einer Dichte von 100 kg/m 3 ) Kurz vor Beginn plastischer Verformung Quellen: [2] G.W. Ehrenstein, G. Ahlers-Hestermann Handbuch Kunststoff Verbindungstechnik, München, Wien, Hanser, 2004.
DLR.de Folie 13 Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Ergebnisse zum Direktverschrauben von PUR-Schaum Kopfauszugversuche EPPsysD 10x30 in PUR100 Standardkraft [N] 400 350 300 250 200 150 100 Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4 Versuch 5 50 0 0 2 4 6 8 10 Standardweg [mm] Unterstützt von: Thomas Walter, Simon Brückmann (DLR-FK).
Folie 14 Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Ergebnisse zum Direktverschrauben von PUR-Schaum Kopfauszugskraft von EPPsysD 10x30 Schrauben über der Dichte von PUR-Schaum Anstieg der Verbindungsfestigkeit mit der Schaumdichte bis 200 kg/m 3 1000 800 Max Min Kraftmaximum [N] 600 400 200 0 0 50 100 150 200 Dichte [kg/m³] Unterstützt von: Thomas Walter, Simon Brückmann (DLR-FK).
DLR.de Folie 15 Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Ergebnisse zum Direktverschrauben von PET-Schaum Kopfauszugversuche EPPsysD 10x30 in PET100 Standardkraft [N] 800 700 600 500 400 300 200 100 Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4 Versuch 5 0 0 1 2 3 4 5 Standardweg [mm] Unterstützt von: Thomas Walter, Simon Brückmann (DLR-FK).
Folie 16 Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Ergebnisse zum Direktverschrauben von PET-Schaum Kopfauszugskraft von EPPsysD 10x30 Schrauben über der Dichte von PET-Schaum Linearer Anstieg der Verbindungsfestigkeit mit der Schaumdichte bis 150 kg/m 3 1000 Max Min Kraftmaximum [N] 800 600 400 Schraubenbruch 200 0 0 50 100 150 200 Dichte [kg/m³] Unterstützt von: Thomas Walter, Simon Brückmann (DLR-FK).
Folie 17 Ausblick Punktförmiges Verbinden von Sandwichstrukturen Übertragung der Erkenntnisse zur punktuellen Krafteinleitung mittels Kunststoffschauben in Polymerschäume auf Sandwichmaterialien mit Schaumkern Vergleich der Ergebnisse mit den Verbindungskonzepten Reibschweißelemente sowie geklebtes & geklemmtes Insert Optimierung des Applikationsprozess für alle Fügeverfahren Bildquelle: EJOT Bildquelle: SECAM Ableitung von generischen Sandwichstrukturen zur Potenzialanalyse Aufbau von Simulationsmodellen auf Basis der experimentellen Charakterisierung Entwicklung einer branchenübergreifenden Auslegungsmethodik für tragende Sandwichstrukturen
Folie 18 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Bildquelle: DLR-FK Kick-Off PuVerSand 14.03.2016 Carmen Scholz M.Sc., Projektleiterin PuVerSand Carmen.Scholz@dlr.de, Tel.: +49 711 6862-591 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Institut für Fahrzeugkonzepte Leichtbau und Hybridbauweisen www.dlr.de/fk/