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Fügen und Vorspannen hybrider Blechstrukturen durch Kragenziehen

Fachliche Zuordnung Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
Förderung Förderung von 2021 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453074727
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Forschungsvorhaben befasste sich mit der Anwendung von Vorspannung in Strukturbauteilen und der Entwicklung einer Technologie zur Erzeugung von Vorspannung in Blechstrukturen durch Aufweiten von Schlaufen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Ziel des Projektes war es, die technologischen Grundlagen für diese Vorspannungstechnik zu erarbeiten und ihre Anwendung in verschiedenen Anwendungsbereichen zu untersuchen. Die Vorspannungstechnik ermöglicht die Beeinflussung von Steifigkeit und der Festigkeit von metallischen Bauteilen. Das Projekt konzentrierte sich auf den Einsatz von hybriden Blech- Tragstrukturen mit FKV-Schlaufen zur Verbesserung der Leichtbaugüte. Das Arbeitsprogramm bestand aus sechs Arbeitspaketen (AP). AP1 beschäftigte sich mit der numerischen Modellierung der Kragenaufweitung, während AP2 die Entwicklung eines prozessoptimierten Werkzeugs beinhaltete. Verschiedene Parameter, wie die Anzahl der Schlaufen und die Schlaufenbreite, wurden untersucht, um optimale Vorspannungsergebnisse zu erzielen. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Parameter einen signifikanten Einfluss auf die Vorspannkraft haben. Basierend auf den Ergebnissen wurde ein Werkzeug für die experimentelle Untersuchung konstruiert und gefertigt. AP3 umschließt die Entwicklung von Analysemodellen für den Prozess und die resultierenden Vorspannungen. Das entwickelte analytische Modell für die Vorspannkraft setzt sich aus dem E-Modul, der Dicke t, Breite w der Schlaufe sowie dem Umschlingungswinkel und dem Radius der Schlaufe und des Kragens vor und nach dem Aufweiten zusammen und zeigt eine gute Übereinstimmung mit den numerischen Ergebnissen. AP4 enthält die experimentelle Durchführung und Charakterisierung der Proben. Im ersten Schritt wurden charakteristische Fehler wie Kragenriss, Blecheinzug und der Schlaufenriss identifiziert und analysiert und anschließend wurden die numerischen und experimentellen Ergebnisse verglichen. Die experimentell ermittelte Strukturkrümmung validiert die numerischen Ergebnisse. In AP5 wurde ein Messkonzept zur Erfassung der Vorspannkraft entwickelt, um die Schlaufenkraft während des Vorspannvorgangs zu messen. Die Reproduzierbarkeit der Messungen konnte bestätigt werden. Die experimentell und numerisch ermittelten Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Parameter wie die Schlaufenbreite, der Stempeldurchmesser und der Kragenabstand die Vorspannkraft beeinflussen. Ein optimierter Prozess kann die Vorspannkraft erhöhen und die Bauteilqualität verbessern. Biegeversuche mit den vorgespannten Platinen zeigen, dass vorgespannte Schlaufen die Steifigkeit und Festigkeit der Strukturen erhöhen. Zusätzlich wurde in AP6 der Einfluss der Vorspannung auf die Festigkeit für eine weitere Geometrie mit einem Hutprofilquerschnitt untersucht. Das Ziel war die Bestimmung des Anwendungspotential. Ein Hutprofil wurde äquivalent zur ebenen Platine gelocht, kragengezogen und nach Umschlingung mit FKV-Tapes geweitet. Das Bauteil wurde anschließend auf seine Biegefestigkeit untersucht. Das Anwendungsbeispiel stellt den Einsatz von vorgespannten Schlaufen in einem Hutprofilquerschnitt für Crashelemente dar. Die Biegeversuche der vorgespannten Hutprofile resultierten in einer Erhöhung der Maximallast um 38 %. Insgesamt zielte das Projekt darauf ab, die Vorspannungstechnologie in verschiedenen Anwendungsbereichen einzusetzen und die damit verbundenen Vorteile zu nutzen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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