Entwicklung und Validierung eines Modells zur Wärmegenerierung beim Reibpressfügen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418104776

Das Reibpressfügen (RPF) ist ein Pressschweißverfahren zum Fügen von Metall- und Polymerbauteilen im Überlappstoß. Das Verfahren beruht auf dem Rührreibschweißen (engl.: Friction Stir Welding, FSW) und wurde am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) in Kooperation mit Airbus Group Innovations entwickelt. Der Prozessablauf des RPF ist ähnlich zum FSW, allerdings wird ein pinloses Werkzeug verwendet. Während des Prozesses entsteht an der Kontaktfläche zwischen Werkzeug und metallischem Fügepartner Reibenergie. Die erzeugte Wärme wird mittels Wärmeleitung an die Metall-Thermoplast-Stoßfläche transportiert und sorgt für eine lokale Erweichung bzw. ein Aufschmelzen des Polymers. Beim Abkühlen erstarrt das Polymer, woraus eine Verbindung resultiert.Wegen des eingeschränkten Temperaturbereichs beim RPF, in dem Polymere schmelzen können ohne zu degradieren, ist die Steuerung der Temperatur an der Metall-Thermoplast-Stoßfläche entscheidend für einen reproduzierbaren und sicheren Fügevorgang. Zurzeit existieren keine publizierten Modelle, die geeignet sind, um die thermischen Vorgänge beim RPF vorhersagen zu können. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturbereiche beim RPF und beim FSW lassen sich auch keine entsprechenden Modelle zum FSW, welche bereits in größerem Umfang veröffentlicht wurden, auf das RPF übertragen. So weisen die im Rahmen der Vorhabensbeantragung durchgeführten Recherchen darauf hin, dass innerhalb der jeweiligen Temperaturbereiche unterschiedliche Faktoren die Wärmegenerierung beeinflussen. Das Ziel dieses Projekts ist der Aufbau eines semi-analytischen Modells, mit welchem die optimalen Prozessparameter (mit Fokus auf Vorschubgeschwindigkeit, Drehzahl und Axialkraft) anhand eines gewünschten Temperaturprofils an der Metall-Polymer-Grenzfläche ermittelt werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, werden als erstes die Kontaktbedingungen an der Grenzfläche zwischen Werkzeug und metallischem Fügepartner untersucht und ein Modell zur Vorhersage der relevanten Einflussgrößen (z. B. des Reibkoeffizienten) abgeleitet. Dieses Modell soll auch Aufschluss über die lokale Wärmeentwicklung für unterschiedliche Prozessparameter geben. Als nächstes wird das Modell genutzt, um die Wärmeentwicklung an der Werkzeug-Metall-Kontaktfläche zu bestimmen. Parallel dazu werden Versuche für unterschiedliche Fügeaufgaben durchgeführt, um das Modell weiterzuentwickeln und zu validieren. Die modellierten Wärmequellen werden in die numerische Simulation integriert, um diese zu validieren und um anschließend eine simulationsbasierte Prozessstudie durchzuführen. Deren Ergebnisse fließen in ein Metamodell ein, womit die Wärmeleitung von der Werkzeug-Metall- zur Metall-Polymer-Grenzfläche beschrieben wird. Im letzten Schritt werden die bisherigen Ergebnisse miteinander verknüpft und invertiert, um die geeigneten Prozessparameter für einen gewünschten Temperaturprofil an der Metall-Polymer-Stoßfläche zu ermitteln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen