Simulationsgestützte Entwicklung und Qualifizierung eines neuartigen Thermoclinch-Fügeverfahrens für Mischbauweisenn mit textilverstärkten Thermoplastverbunden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maik Gude
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227385749

Ziel des Vorhabens ist die simulationsgestützte Entwicklung und Qualifizierung eines neuartigen umformbasierten Fügeverfahrens für Metall-Kunststoff-Mischbauweisen mit textilverstärkten Thermoplastverbunden. Bei dem neu konzipierten Thermoclinch-Verfahren wird die Faserverbundstruktur partiell erwärmt und erweicht, lokal durch eine Öffnung im Metallblech durchgesetzt und zu einem Hinterschnitt mit definierter Faserverstärkung aufgespreizt. Zur Erhöhung der Prozessfähigkeit und zur Reduzierung von Zykluszeiten wird eine Thermoclinch-Technologie entwickelt, bei der Einschnitt-, Aufheiz- und Fügeprozess in einem Inline-Prozess zusammengeführt werden. Für die Weiterentwicklung des thermomechanischen Fügeprozesses mit großer plastischer Deformation des textilverstärkten thermoplastischen Fügepartners werden Fügevorrichtungen und -werkzeuge sowie zugehörige Prozessparameter erarbeitet. Die grundlegenden Untersuchungen werden exemplarisch für die Fügeteilwerkstoffe glasfaserverstärktes Polypropylen (GF/PP) und Stahl durchgeführt. Im Hinblick auf die Bewertung der Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse werden alternative Faserverbundwerkstoffe auch mit spröder Kohlenstofffaserverstärkung sowie niedrig-viskoseren Matrices wie Polyamid für den Inline-Thermoclinch-Prozess untersucht.Zur realistischen Vorhersage des Verformungs- und Versagensverhaltens von Thermoclinch-Verbindungen wird eine durchgehende Simulationsstrategie mit gekoppelten Prozess- und Strukturanalysemodellen erarbeitet. Hierfür wird die entwickelte Simulationsmethode erweitert, sodass beliebige Laminataufbauten und Werkstoffpaarungen in das Simulationsmodell integriert und rechnerische Umform- und Festigkeitsanalysen durchgeführt werden können. Im Rahmen der detaillierten Untersuchung von Thermoclinch-Verbindungen wird die Fügestellenqualität auf der Makroebene anhand der geometrischen Ausbildung der Fügezone und auf der Mikroebene anhand des umformtechnisch induzierten Faserverlaufs bewertet. Zur Strukturaufklärung der Fügezone und zur Validierung der Prozesssimulation kommt die Computertomographie zum Einsatz. Um zudem ein vertieftes Verständnis des sukzessiven Schädigungsverhaltens von Thermoclinch-Verbindungen aufzubauen, sind phänomenologische Schädigungsanalysen bei quasistatischer Zug-Scher- und Kopfzugbelastung mittels In-situ-Computertomographie vorgesehen.Zur effizienten Sensitivitätsanalyse der Prozessparameter-Eigenschafts-Interaktion sind vergleichende numerische und experimentelle Analysen des Tragfähigkeits- und Schädigungsverhaltens über genormte Belastungstests geplant. Daraus werden prozess- und werkstoffgerechte Qualitätssicherungsmethoden zur Herstellung von Mischverbindungen konstanter Verbindungseigenschaften abgeleitet. Im Hinblick auf eine Anwendung der Fügetechnologie sind sowohl werkstoffspezifische und konstruktive Hinweise zur Prozessführung und Fügezonenauslegung sowie zur Gestaltung von Inline-Thermoclinch-Fügesystemen herauszuarbeiten.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1640: Fügen durch plastische Deformation