Qualitätssicherung beim Hybridfügen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing.(FH) Markus Israel, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz -
Prof. Dr. rer.nat. Bernd Mayer, Dr.-Ing. Holger Fricke Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Bremen
132 Seiten - 72,00 EUR (sw, 58 teils farbige Abb., 12 Tab)
ISBN 978-3-86776-369-1
Zusammenfassung
Beim kombinierten mechanischen Fügen und Kleben existieren Wechselwirkungen der elementaren Fügeverfahren. Durch diese Wechselwirkungen können Werkzeug- und Verfahrensparameter der elementaren Fügeprozesse nicht direkt auf die Hybridfügetechnik übertragen werden. Es fehlt an detailliertem Verständnis der Einflussgrößen in Bezug auf eine qualitätssichere Fertigung. Das Verständnis wird aus einer kombinierten experimentellen und numerischen Untersuchung des Hybridfügens gewonnen.
In umfangreichen experimentellen Studien wurde der Einfluss verschiedener Parameter auf das Clinchkleben untersucht. Im Fokus stand dabei der Einfluss von Klebstoffviskosität und der Prozesskinematik (voreilender Stempel und Vorhubstopp) bei vier Paarungen identischer Gesamtblechdicke. Dabei wurden die Einflüsse auf die Klebstoffverteilung im Fügepunkt sowie die Entwicklung der Halsdicken- und Hinterschnittausbildung ausgewertet. Kritisch hinsichtlich der Qualität der Hybridfügeverbindungen sind dabei Klebstoffeinkammerungen, welche vor allem den Hinterschnitt massiv beeinträchtigen können.
Tendenziell erfolgt eine Verringerung der Hinterschnittausbildung bei steigender Klebstoffviskosität und sinkender Steifigkeit des matrizenseitigen Bleches. Durch Stempelvoreilung kann eine signifikante Verbesserung der Klebstoffverdrängung und damit auch der Hinterschnittausbildung erwirkt werden. Eine Einbindung des Vorhubstopps bewirkt eine weitere Verbesserung etwa gleicher Größenordnung. Für das Halbhohlstanznietkleben wurde experimentell nur der hochviskose Klebstoff Betamate 1496 betrachtet, da die Beeinträchtigungen im Vergleich zum Clinchen deutlich geringer sind.
Die Simulation des Clinchklebens und Stanznietklebens war zu Beginn des Vorhabens nach den Recherchen der Forschungsstellen nicht Stand der Technik. Zur Simulation des elementaren Umformfügens kommen in der Regel spezialisierte Simulationsprogramme zum Einsatz. Diese Programme sehen keine Möglichkeiten zur Beschreibung des beim Hybridfügeprozess verdrängten flüssigen Klebstoffs vor.
Strömungssimulationsprogramme bieten die Möglichkeit den Fluss fluider Materialien unter wirkenden Randbedingungen zu beschreiben. Im Rahmen des Vorhabens wurden verschiedene Methoden analysiert beide Simulationstechniken zur Modellierung des Hybridfügens zu koppeln. Es wurden umfangreiche rheologische Untersuchungen zur Klassifizierung des Fließverhaltens der ausgewählten Klebstoffe vorgenommen. Im Anschluss erfolgte die Erprobung der gekoppelten Simulationsmethoden zur Beschreibung der Quetschströmung in einem einfachen Versuchsaufbau. Für die Hybridfügetechnologien Clinchkleben und Halbhohlstanznietkleben wurden Referenzmodelle zu den elementaren Umformfügeverfahren ausgearbeitet. Diese Referenzmodelle wurden zur Beschreibung der Hybridfügeprozesse um die Einbeziehung der Verdrängung des flüssigen Klebstoffs erweitert. Für das Clinchkleben wurden mehrere Methoden erfolgreich erprobt und diskutiert. Die Analysen wurden hierbei auf Wunsch des PbA auf die Ausbildung von Klebstofftaschen im Bereich des Fügepunkts fokussiert. Weiterhin wurde der Einfluss von verschiedenen Parametern in den Simulationen untersucht und Maßnahmen zur Optimierung des Prozesses abgeleitet. Abschließend wurde das Halbhohlstanznietkleben simuliert. Die erarbeiteten Simulationen gehen über den Stand der Technik hinaus, sind jedoch mit numerischen Instabilitäten und hohen Rechenzeiten verbunden. Die Variation der Parameter des Prozesses beschränkt sich daher auf eine gezielte Auswahl mit dem Ziel der Wissensgenerierung. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Qualitätssicherung beim Hybridfügen“ wurde unter der Fördernummer AiF 15725BG von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 332 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Inhaltsverzeichnis
Formelverzeichnis
Kurzzeichenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1Einleitung
2Stand der Technik
2.1Clinchen
2.1.1Definition und Einordnung
2.1.2Verfahrensablauf
2.1.3Merkmale und Eigenschaften von Clinchverbindungen
2.2Halbhohlstanznieten
2.2.1Definition und Einordnung
2.2.2Verfahrensablauf
2.2.3Merkmale und Eigenschaften von Halbhohlstanznietverbindungen
2.3Kleben
2.3.1Definition und Einordnung
2.3.2Auslegung und Fertigung
2.3.3Vor- und Nachteile des Klebens
2.4Hybridfügen
2.4.1Verfahrensablauf
2.4.2Eigenschaften von Hybridfügeverbindungen
2.5Numerische Beschreibung des Fügens
2.5.1Mechanisches Fügen
2.5.2Kleben
2.5.3Hybridfügen
3Problemstellung und Zielsetzung
3.1Problemstellung
3.2Angestrebte Forschungsergebnisse und Vorgehensweise
4Randbedingungen für Experiment und Simulation
4.1Versuchswerkstoffe
4.2Versuchseinrichtungen und Probenherstellung
4.3Klebstoffauswahl und rheologische Untersuchung
5Clinchkleben – Experimentelle Untersuchungen
5.1Paarungen und Parameter
5.2Parameterstudie 1 - Paarung HC340LA (1,0 mm + 1,0 mm)
5.2.1Vorgehensweise und untersuchte Parameter
5.2.2Tox Rundpunkt
5.2.3Eckold R-DF
5.2.4Zusammenfassung Parameterstudie 1
5.3Parameterstudie 2 - „Werkstoff- und Klebstoffvariation“
5.3.1Vorgehensweise und untersuchte Parameter
5.3.2Tox-Rundpunkt
5.3.3Eckold-R-DF
5.3.4Zusammenfassung Parameterstudie 2
6Clinchkleben - Numerische Untersuchungen
6.1Vorbereitende Experimente und Simulationen
6.2Simulation des Clinchklebens
6.2.1Simulation des Clinchklebens durch Fluid-Struktur-Interaktion
6.2.2Simulation des Clinchklebens durch Arbitrary Lagrangian-Eulerian oder Coupled Euler Lagrange Techniken
6.2.3Ergebnisse der Simulation des Clinchklebens
7Halbhohlstanznietkleben
7.1Experimentelle Untersuchungen
7.1.1Paarungen und Parameter
7.2Numerische Untersuchungen
8Ableitung von Maßnahmen zur Qualitätssicherung
8.1.1Qualitative Maßnahmen zur Vermeidung von Klebstofftaschen beim Clinchen
9Projektergebnisse und Ausblick
10Projektauswertung
10.1Gegenüberstellung der Ergebnisse mit der Zielsetzung des Antrags
10.2Personaleinsatz
10.3Verwendung der Zuwendungen
10.4Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU, innovativen Beitrag und
industriellen Anwendungsmöglichkeit
10.5Fortgeschriebener Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft
10.5.1Sitzungen des PbA
10.5.2Veröffentlichungen
10.5.3Angaben über gewerbliche Schutzrechte
10.5.4Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten Transferkonzepts
11Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU
11.1Voraussichtliche Nutzung der angestrebten Forschungsergebnisse in KMU
11.2Voraussichtlicher Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der KMU
11.3Aussagen zur voraussichtlichen industriellen Umsetzung der FuE-Ergebnisse nach Projektende
12Literatur
