Mechanisches Fügen metallischer, additiv auf Pulverbasis gefertigter Bauteile
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, M. Sc. Per Heyser, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn
110 Seiten - 76,00 EUR (sw, 45 teils farbige Abb., 45 Tab.)
ISBN 978-3-86776-674-6
Zusammenfassung
Von der Fertigung von Prototypen über Einzelstücken bis hin zur Kleinserie kann die Additive Fertigung zur Herstellung komplexer Geometrien und individuell angepasster Bauteile eingesetzt werden. Allerdings besteht die Problematik der additiven Fertigungsverfahren, dass die Bauteilkosten zu einem großen Teil nicht stückzahlabhängig sind. Um die Fügbarkeit generativ gefertigter Komponenten gewährleisten zu können, müssen entsprechende Fügetechnologien ausgewählt und qualifiziert werden.
Besonders im Bereich von Mischbauanwendungen kommen hierzu mechanische Fügeverfahren wie das Clinchen zur Anwendung. Neben der Weiterentwicklung der verschiedenen AM-Verfahren hinsichtlich der Prozess- und Bauteilqualität ist es somit notwendig, die mechanische Fügetechnik für die Weiterverarbeitung von AM-Komponenten umfangreich zu qualifizieren.
Dazu wurden die Eigenschaften der additiv gefertigten Bauteile charakterisiert und Fließkurven je Baurichtung abgeleitet. Als Prüfverfahren wurden einachsige Zugversuche und Druckstauchversuche verwendet. Außerdem wurden Härte- und Dichtemessungen sowie Rauheitsmessungen durchgeführt.
Im nächsten Schritt wurde dann die Fügeeignung für insgesamt zehn Kombinationen für die Fügeverfahren Clinchen, Halbhohlstanznieten und Fließlochformendes Schrauben überprüft. Je nach Ergebnis der Bemusterung wurden Optimierungen vorgenommen, die entweder im additiv gefertigten Bauteil (z. B. mittels Wärmebehandlung) oder im Fügeprozess umgesetzt wurden.
Exemplarisch wurden Sondermatrizen beim Halbhohlstanznieten oder baurichtungsspezifische Prozessparameter beim Fließlochformenden Schrauben eingesetzt. Anschließend wurden für die Fügeverfahren Halbhohlstanznieten und Fließlochformendes Schrauben Verbindungen mit einem hohen Potenzial zur Erreichung der definierten Kriterien ausgewählt und quasistatische sowie zyklische Tragfähigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Den Abschluss bildete eine Anwendungsrichtlinie, in der Empfehlungen hinsichtlich der optimalen Prozessparameter gegeben wurden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Mechanisches Fügen metallischer, additiv auf Pulverbasis gefertigter Bauteile" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21617N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 605 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
From the production of prototypes and one-offs to small series, additive manufacturing can be used to produce complex geometries and individually adapted components. This flexible manufacturing process enables the increasing number of vehicle derivatives to be realized from an economic point of view and also offers the user all the advantages of on-demand manufacturing. In order to be able to guarantee the joinability of generatively manufactured components, appropriate joining technologies must be selected and qualified.
In addition to the further development of the various AM processes with regard to process and component quality, it is therefore necessary to extensively qualify the mechanical joining technology for the further processing of AM components in order to make it available as a precursor to the series use of generatively manufactured components.
To this end, the properties of the additively manufactured components were characterized and flow curves were derived for each construction direction. Uniaxial tensile tests and compression tests were used as test methods. Hardness and density measurements as well as roughness measurements were also carried out. In the next step, the suitability for joining was then tested for a total of ten combinations for the joining processes clinching, semi-tubular self-piercing riveting and flow drill screwing.
Depending on the results of the sampling, optimizations were made which were implemented either in the additively manufactured component (e.g. by means of heat treatment) or in the joining process. For example, special dies were used for semi-tubular self-piercing riveting.
Subsequently, joints with a high potential for achieving the defined criteria were selected for the semi-tubular self-piercing riveting and flow-forming screw joining processes, and quasi-static and cyclic load-bearing capacity tests were carried out. The final step was an application guideline in which recommendations were made regarding the optimum process parameters.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung und Zielsetzung
2 Stand der Technik
2.1 Grundlagen der additiven Fertigung
2.2 Mechanisches Fügen von additiv gefertigten Bauteilen
3 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse im Berichtszeitraum
3.1 AP 1: Festlegung der Randbedingungen und Probenherstellung
3.2 AP 2: Analyse der Eigenschaften metallischer, additiv gefertigter Bauteile
3.2.1 Zugversuch
3.2.2 Druckstauchversuch
3.2.3 Härtemessung
3.2.4 Computertomografie
3.3 AP 3 und AP 4: Überprüfung der Fügeeignung von additiv gefertigten Bauteilen
und Modifikation der Fügeprozesse und AM-Bauteile zur verbesserten Fügeeignung
3.3.1 Bemusterung und Optimierung des Fließlochformenden Schraubens
3.3.2 Bemusterung und Optimierung Halbhohlstanznieten
3.3.3 Bemusterung Clinchen
3.4 AP 5: Charakterisierung des Trag- und Versagensverhaltens von Verbindungen
3.4.1 Versagensarten
3.4.2 Tragfähigkeitsuntersuchungen unter quasistatischer Belastung
3.4.3 Tragfähigkeitsuntersuchungen unter zyklischer Belastung
4 Anwendungsrichtlinie zum mechanischen Fügen metallischer, additiv gefertigter Bauteile
4.1 Ziel und Zweck der Anwendungsrichtlinie
4.2 Grundlagen
4.2.1 AM-Werkstoffe
4.2.2 Halbhohlstanznieten
4.2.3 Fließlochformendes Schrauben
4.3 Gültigkeitsbereich
4.3.1 Eigenschaften der Werkstoffe
4.4 Anwendungshinweise
4.4.1 Halbhohlstanznieten
4.4.2 Fließlochformendes Schrauben
5 Ergebnisse und Ausblick
5.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
6 Literaturverzeichnis
6.1 Normen und Richtlinien
