Numerische und experimentelle Untersuchungen zum Versagen beim Clinchen von kurzfaserverstärkten Thermoplasten mit Aluminium-Blechwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens; Professor Dr.-Ing. Raimund Rolfes
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 227476165

In vielen ingenieurtechnischen Anwendungsbereichen, insbesondere in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, werden traditionelle metallische Werkstoffe mehr und mehr durch innovative Faserverbundmaterialien ersetzt, um hocheffiziente Bauteile zu entwickeln. Auf diese Weise lassen sich optimale mechanische Eigenschaften, z.B. gesteigerte Festigkeiten und Steifigkeiten, mit einem minimiertem Bauteilgewicht in Einklang bringen.So weisen Bauteile aus sogenannten kurzfaserverstärkten Kunststoffen (SFRP) bei gleicher Festigkeit ein deutlich geringeres Gewicht gegenüber Bauteilen aus herkömmlichen Metallwerkstoffen auf. Im Bereich der Automobilindustrie lassen sich somit hocheffiziente Karosserien realisieren, was sich insbesondere positiv auf den Kraftstoffverbrauch sowie die Sicherheit der Fahrzeuge auswirkt. Da SFRP in der Regel im Spritzgussverfahren hergestellt werden, weisen sie jedoch im Allgemeinen ein hochkomplexes nichtlineares Materialverhalten unter mehraxialen Spanungszuständen auf.Ein aktueller Trend der Automobilindustrie ist zudem die Entwicklung neuartiger Multi-Material-Werkstoffe, wobei u.a. die Kombination von SFRP und Aluminium eine wichtige Rolle spielt. Eine wesentliche Schwierigkeit bei der Kombination dieser Materialien stellen vor allem die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften (Steifigkeit, thermale Ausdehnung, etc.) dar. Diese Unterschiede sind insbesondere im Rahmen von Fügeprozessen zu berücksichtigen. Ein sehr vielversprechender Fügeprozess für Hybridmaterialien aus SFRP und Aluminium ist das temperierte Clinchen, welcher im Rahmen dieses Projekt sowohl numerisch als auch experimentell untersucht werden soll. Um die resultierenden Steifigkeiten und Festigkeiten einer solchen Verbindung numerisch simulieren zu können, sind temperaturabhängige Deformationen sowie ein anisotropes Materialverhalten zu berücksichtigen. In der dritten Phase des SPP 1640 sollen numerische Modelle entwickelt werden, welche das plastische Materialverhalten, eine fortschreitende Materialschädigungen sowie das finale Materialversagen während des Clinch-Prozesses simulieren können. Hierzu werden entsprechende numerische Ansätze auf Grundlage der Finiten-Elemente-Methode implementiert. Die Validierung der numerischen Modelle erfolgt anschließend auf Grundlage entsprechender experimenteller Untersuchungen. Nach erfolgreicher Validierung des numerischen Modells ist der Clinch-Prozess zu parametrisieren und im Rahmen von Parameterstudien zu optimieren. Ziel ist es u.a. eine Werkzeuggeometrie zu identifizieren, die die Materialien während des Clinchens minimal schädigt und somit optimale mechanische Eigenschaften der resultierenden Verbindung garantiert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1640: Fügen durch plastische Deformation
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr.-Ing. Anas Bouguecha