Fügen und Vorspannen hybrider Blechstrukturen durch Kragenziehen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Groche
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453074727

Hybridstrukturen aus Metallen und Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) bieten vielseitige Vorteile, da in ihnen die Vorteile zweier grundlegend verschiedener Werkstoffarten vereint sind. Eine Verbindung zwischen FKV und Metallen stellt hierbei jedoch eine Herausforderung dar. Konventionelle Fügetechniken weisen Nachteile hinsichtlich der optimalen Ausnutzung des FKV auf, wobei eine Schwächung des FKV oder ein aufwändiges Fügen an umgebende Strukturen als nachteilig zu bewerten sind. Während das stark unterschiedliche Materialverhalten hierbei oftmals eine Herausforderung darstellt, kann dieses jedoch auch zur Verbundherstellung und Verbesserung des Strukturverhaltens genutzt werden. Im vorliegenden Forschungsvorhaben soll das unterschiedliche Materialverhalten während einer gemeinsamen Umformung gezielt genutzt werden, um einen werkstoffgerechten Verbund auszubilden. Hierzu werden zwei Kragen in einen ebenen Bereich einer Blechtragstruktur eingebracht, um die eine FKV-Schlaufe gelegt wird. In einem folgenden Umformschritt werden die Kragen mittels eines konischen Stempels aufgeweitet. Die sich ergebende Rückfederungsdifferenz zwischen der elastisch-plastisch deformierten Metallkomponente und der rein elastisch gelängten FKV-Komponente resultiert in einer Kraft, die die Komponenten verbindet und eine günstige Spannungsverteilung in der Hybridstruktur erzeugt. Im Falle von Tragstrukturen, die einer Last in Vorzugsrichtung unterliegen, kann diese Spannungsverteilung genutzt werden, um einer äußeren Last entgegen zu wirken und das Bauteilversagen zu verzögern. Das globale Ziel des Vorhabens ist die Ermittlung der technologischen Grundlagen des Prozesses zur Versteifung und Verstärkung lasttragender Blechstrukturen durch ein umformtechnisches Fügen und Vorspannen mit Schlaufen aus FKV. Im Einzelnen sollen die vorliegenden Wirkmechanismen und Effekte identifiziert sowie die Einflussgrößen auf die Verbund- und Vorspannungserzeugung qualitativ und quantitativ erfasst werden. Die Auswirkungen prozessbegrenzender Effekte und komplexer, asymmetrischer Deformationen sollen anhand numerischer, analytischer sowie mess- und regelungstechnischer Ansätze bestimmt und bestmöglich minimiert werden. Das Vorhaben beginnt mit der Erarbeitung eines numerischen Prozessmodells auf Basis der Finite-Elemente Methode. Anhand der derart gewonnenen Erkenntnisse werden nachfolgend ein prozessoptimiertes Werkzeug sowie ein analytisches Modell zur Vorhersage der Vorspannungserzeugung entwickelt. Experimentelle Untersuchungen dienen der Validierung der analytischen und numerischen Modelle sowie der Ermittlung auftretender Fehlerbilder und Prozessgrenzen. Um den entwickelten Prozess zu einer Regelung der erzeugten Vorspannkraft zu qualifizieren, werden darüber hinaus Mess- und Regelungskonzepte entworfen und im Experiment validiert und bewertet. Das Vorhaben schließt mit dem Übertrag der erarbeiteten Prozesse und Modelle auf ein erweitertes Anwendungsspektrum.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen