Mechanische Verbindungstechnik

Arbeitsbereich

Steigende Anforderungen bei der Herstellung energie- und ressourceneffizienter Produkte sowie umwelttechnische Aspekte führen in vielen Branchen zunehmend zur Anwendung von Leichtbaukonzepten. Der damit verbundene Einsatz neuartiger Materialien lässt insbesondere die mechanische Verbindungstechnik in den letzten Jahren eine Renaissance erfahren. Um dieser Entwicklung Rechnung zu tragen, erarbeitet das Fraunhofer IGP für die damit verbundenen Problemstellungen innovative und wirtschaftliche Lösungen.

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Der Bereich Mechanische Verbindungstechnik umfasst verschiedene Forschungsschwerpunkte im Metallleicht- und Stahlbau, im Schienenfahrzeugbau sowie im allgemeinen Fahrzeug- und Maschinenbau. Gemeinsam mit unseren Kunden erarbeiten wir branchenspezifische Lösungen. Die richtige Auswahl und Beherrschung der Fügeverfahren entscheidet bereits zu Beginn der Produktentwicklung maßgeblich über die Funktionalität, Zuverlässigkeit und Sicherheit einer Konstruktion. Gleichzeitig hilft die für den jeweiligen Anwendungsfall optimale Fügetechnologie Kosten und Material während der Produktion und der Nutzung einzusparen. Der Tätigkeitsbereich erstreckt sich von der Beratung zur Auswahl der optimalen Fügetechnologien über die Analyse des Tragverhaltens bis hin zum Ableiten geeigneter Bemessungsregeln entsprechend den Anforderungen aus dem jeweiligen Anwendungsfall.
Unterstützt werden die theoretischen Betrachtungen durch das akkreditierte Prüflabor des Fraunhofer IGP, welches mit modernster Prüftechnik umfangreiche experimentelle Untersuchungen abbilden kann.

Projektübersicht Mechanische Verbindungstechnik

Traglaststeigerung durch Strukturklebstoff in der Trennfuge

Weiterentwicklung der vorgespannten Hybridverbindung mit Schließringbolzen & hochfesten Schrauben

Die Gleitfest-vorgespannte Schraubenverbindung (GV-Verbindung) kommt überall dort zum Einsatz, wo mechanische Fügeverbindungen unter Betriebslasten ermüdungssicher und dauerhaft zu bemessen sowie auszuführen sind. Der Tragfähigkeit durch Kraft- bzw. Reibschluss ergibt sich dabei durch Schraubenvorspannkraft und Haftreibungszahl in der Trennfuge. In der Regel sind die erreichbaren Haftreibungszahlen für gängige Korrosionsschutz-Überzüge trotz aufwendiger Reibflächenvorbehandlung gering. Durch die Applikation eines geeigneten Strukturklebstoffs in der Trennfuge sind deutlich höhere Haftreibungszahlen und damit Traglaststeigerungen realisierbar. Im Rahmen des laufenden Forschungsvorhabens soll jene Kombination aus GV-Verbindung und Strukturklebstoff untersucht werden.

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Eine Alternative zum Schweißbolzen

Schwingfestigkeit durch Einpressen erzeugter Blechabschnitte

Zur Befestigung von Anbauteilen in „dünnwandigen“ Blechstrukturen bieten umformtechnisch eingebrachte Funktionselemente eine ausgesprochen wirtschaftliche Alternative zum Schweißbolzen. Neben der statischen Beanspruchbarkeit und der Tragfähigkeit bei Crashbeanspruchung ist deren Betreibsfestigkeit stets eine relevante Fragestellung. Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, einen Betriebsfestigkeitsnachweis mithilfe örtlicher Spannungen für umformtechnisch beeinflusste Blechabschnitte zu realisieren, welche beispielsweise infolge eines Verfahrensablaufes bei der Einbringung eines Funktionselementes entstehen. Dem örtlichen Spannungskonzept werden zudem zum Vergleich Nennspannungswöhlerlinien der untersuchten Kerbdetails am umgeformten Blechabschnitt entgegengestellt.
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Neue Bemessungsregeln

Erweiterung der Anwendungsgrenzen von Blindbefestigern zum Verbinden höherfester Werkstoffe

Im Bereich des Stahl- und Metallleichtbaus ist in den vergangenen Jahren eine Tendenz zum Einsatz höherfester Werkstoffe zu verzeichnen. Diese Kons­truktionen erfahren im Laufe der Zeit neben vorwiegend ruhenden auch nicht vorwiegend ruhende Lasteinwirkungen. Mit dem Einsatz der Blindniettechnik in diesen Konstruktionen ergeben sich aus der Sicht des Tragwerkplaners Fragestellungen, auf die im Zuge aktueller Forschungen am Fraunhofer IGP eingegangen wird. Das Ziel ist die Erarbeitung von Bemessungsregeln, welche die höheren Werkstofffestigkeiten bei der Planung geeignet berücksichtigen. Mit diesen Bemessungskonzepten soll eine wirtschaftlichere und ressourcensparende Auslegung ermöglicht werden.
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Projekte

Qualifizierung Scherschneiden
(Laufzeit: '17-'19)
Qualifizierung des Scherschneidens zur Ausführung von Löchern in Stahlkonstruktionen
FüMoKo
(Laufzeit: '16-'19)
Ganzheitliches ressourceneffizientes Turmkonzept – GreT TP Füge- und Montagekonzept – FüMoKo
GefüLe
(Laufzeit: '16-'19)
Gewindeeinsätze für Leichtmetallverschraubungen – GefüLe
Nachweis reibschlüssiger Verbindungen für Leichtmetalle und Stahlwerkstoffe
(Laufzeit: '16-'19)
Analytischer Nachweis von reibschlüssigen Verbindungen mit Langlöchern für Leichtmetalle und Stahlwerkstoffe
Vorspannkraftverluste
(Laufzeit: '15-'17)
Vorspannkraftverluste ermüdungsbeanspruchter vorgespannter Schraubverbindungen
Steigerung der Tragfähigkeit durch SRB
(Laufzeit: '15-'17)
Steigerung der Tragfähigkeit in exzentrisch beanspruchten Verbindungen durch den Einsatz von Schließringbolzensystemen
Kleine Klemmlängenverhältnisse
(Laufzeit: '15-'16)
Kleine Klemmlängenverhältnisse
BobTail-Schließringbolzen
(Laufzeit: '15-'16)
Erweiterung der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung Z-14.4-591 für BobTail-Schließringbolzen der Durchmesser M22 - M39
SIROCO
(Laufzeit: '14-'17)
Ausführung und Zuverlässigkeit von gleitfesten Verbindungen für Stahlkonstruktionen aus Kohlenstoffstahl und nichtrostenden Stahl – SIROCO (RFSR-CT-2014-00024)
Bemessungskonzept für tragende Blindnietverbindungen
(Laufzeit: '14-'16)
Bemessungskonzept für tragende Blindnietverbindungen im Stahl- und Maschinenbau
Beanspruchungsgrenzen für Funktionselement-Verschraubungen
(Laufzeit: '13-'15)
Beanspruchungsgrenzen für
Funktionselement-Verschraubungen
RIPP LOCK® Sicherungsscheiben
(Laufzeit '13-'15)
Bestrebungen zur Erlangung einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung für RIPP LOCK® Sicherungsscheiben
Hybridverbindungen mit Schließring- und Blindnietbolzen
(Laufzeit: '13-'15)
Vorgespannte Hybridverbindungen mit Schließring- und Blindnietbolzen
Ermüdungsfestigkeit von scherbeanspruchten Schließringbolzen- und Blindnietverbindungen
(Laufzeit: '12-'14)
Experimentelle Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit von scherbeanspruchten Schließringbolzen- und Blindnietverbindungen ohne Bauteileinfluss
Schließringbolzen-Verbindungen
(Laufzeit: '12-'14)
Bedingungen für eine fertigungs- und reparaturgerechte Ausführung von Schließringbolzen-Verbindungen unter Einhaltung der Mindesttragfähigkeit
abZ für Siemens BSS-Tower
(Laufzeit: '12-'13)
Gutachterliche Stellungnahme und experimentelle Untersuchungen zur Erlangung einer abZ für Siemens BSS-Tower
System H360 (M12 – M42)
(Laufzeit: '12-'13)
Experimentelle Untersuchungen zur Erlangung einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung für das System H360 (M12 – M42)
Klemmkräfte mechanischer Fügeelemente durch akustische Anregung und Signalanalyse
(Laufzeit: '10-'12)
Ermittlung von Klemmkräften mechanischer Fügeelemente durch akustische Anregung und Signalanalyse
SRB-Verbindungen in Stahl und
Aluminiumblechverbindungen
(Laufzeit: '10-'12)
Bemessungskonzept für SRB-Verbindungen in Stahl und Aluminiumblechverbindungen
BOBTAIL-Schließringbolzen
(Laufzeit: '08 - '10)
Scherzug- und Klemmkraftversuche an hochfesten BOBTAIL-Schließringbolzen für den Einsatz im Stahlbau
Ermüdungsfestigkeit von SRB- und BN-Verbindungen
(Laufzeit: '08-'10)
Numerische und experimentelle Ermittlung der Ermüdungsfestigkeit von kopfzugbeanspruchten SRB-und BN-Verbindungen

Leistungen

  • Beratung zu aktuellen Trends und Entwicklungen in der Fügetechnik (Schrauben, Niete, Schließringbolzen, Blindbefestiger, Funktionsträger/-elemente)
  • Erstellung von gutachterlichen Stellungnahmen und Prüfkonzepten für Verbindungen im Metallleicht- und Stahlbau (ZiE, abZ/abG, ETA)
  • Ermittlung von Haftreibungszahlen nach DIN EN 1090-2 Anhang G und TL/TP-KOR-Stahlbauten
  • Numerische Simulation (FEM) mit parametrisierter Modellbildung
  • Untersuchung der Schwingfestigkeit von Werkstoffen und Verbindungselementen nach DIN 50100 und DIN 969
  • Wöhlerversuche zur Bestimmung von FAT-Klassen im Sinne der DIN EN 1993-1-9 bzw. FKM-Richtlinie
  • Entwicklung von Bemessungsalgorithmen und Prüfmethoden für nicht geregelte Fügeverfahren
  • Ableitung von Wartungskonzepten aus dem Vorspannkraft-Zeit-Verhalten (mechanische Wartungsfreiheit“)
  • Durchführung von Drehmoment/Vorspannkraft-Versuchen nach DIN EN ISO 16047
  • Seminare zur Berechnung von Schraubenverbindungen nach DIN EN 1993-1-8 und -9 (Eurocode 3) und VDI 2230 (Blatt 1)
  • Zertifizierung und Fremdüberwachung von Herstellern von Bauprodukten als anerkannte Stelle nach den Landesbauordnungen der Bundesländer

Ausstattung

Prüflabor

  • Statische Universalprüfmaschinen (bis 1000 kN)
  • Dynamische Pulsatoren (0,1…100 kN; 0,1…100 Hz)
  • Drehmomentprüfstand bis 500 Nm
  • Korrosionsprüfkammern/UV-Bestrahlungsanlagen
  • Klimakammern für Proben und Bauteilversuche (90 m³, -50…60 °C)

Fertigungstechnik

  • NC-Werkstatt für Probenpräparation und Vorrichtungsbau
  • Versuchstand zum konventionellen und ultraschallunterstützten Clinchen bis max. 50 kN
  • Versuchsstand zum Voll- und Halbhohlstanznieten
  • Prozessüberwachung für Setzprozesse (Kraft /Weg,
  • Drehmoment /Drehwinkel)

Analytiklabor

  • Auf- und Durchlichtmikroskope
  • Funkenemissionsspektrometrie
  • Heliumlecktestgerät
  • Härteprüfgerät

Eingesetzte Software

  • Catia V5
  • LS-Dyna
  • ABAQUS (Forschungslizenz)
  • Ansys Workbench V12