Umformtechnisches Fügen und Formgeben

Arbeitsbereich

Der Forschungsschwerpunkt des umformtechnischen Fügen behandelt Fragestellungen des Verbindens von Leichtbauwerk­stoffen wie zum Beispiel Faserkunststoffverbunden oder Aluminium­knetlegierungen als reine umformtechnische Fügepunkte. Umformtechnische Fügeverfahren werden vorwiegend im Mobilitätssektor (Flugzeug-, Schienenfahrzeug- und Automobilbau) eingesetzt.

© Fraunhofer IGP

Der Umform- beziehungsweise Setzprozess soll anwendungstauglich sein und die vom Kunden vorgegebenen Anforderungen erfüllen. Dazu prüft das Team des Fraunhofer IGP deren Tragfähigkeit bei statischer und zyklischer Belastung. Ein besonderer Fokus liegt auf der bruchmechanischen Bewertung der Fügestellen hinsichtlich der Rissinitiierung, des Risswachstums und des Bruchverhaltens. Darüber hinaus wird die Lebensdauer der Fügepunkte analysiert und ihre Dichtheit, elektrische Leitfähigkeit oder die Möglichkeit zur (zerstörungsfreien) Prüfung erforscht.

Forschungsschwerpunkt des umformtechnischen Formgebens sind grundlegende Fragestellungen zur Formgebung von Bauteilstrukturen. Zu diesem Zweck entwickeln die Wissenschaftler:innen des IGP Prognosemodelle und leiten daraus Prozesssteuerungskonzepte für die kalt- und warmplastische Umformung, vornehmlich für das Umformen großer Blechfelder mit Materialstärken größer als 5 mm, ab. Diese Konzepte werden dann hinsichtlich der Echtzeitfähigkeit zur Integration in Anlagensteuerungen evaluiert und optimiert.

Projektübersicht Umformtechnisches Fügen und Formgeben

Umformoptimierung

Vereinfachtes Ersatzmodell zur Prozesssteuerung beim Walzrunden großer Blechdicken - Umformoptimierung

Das industrielle Walzrunden von Grobblechen kleiner Losgrößen wird derzeit rein manuell gesteuert. Hierdurch hängen die Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens maßgeblich von der Erfahrung des Anlagenbedieners ab. Um das Verfahren zu optimieren, wurde daher innerhalb des Forschungsprojekts ein objektiver Steuerungsansatz basierend auf einem einfachen geometrischen Modell und einem künstlichen neuronalen Netz (KNN) entwickelt. Hierbei wird das Umformverhalten des Blechs durch das KNN prognostiziert und mithilfe des geometrischen Modells visualisiert. Zur Nachregelung der KNN-Prognose wird die reale Verformung des Blechs messtechnisch erfasst und an das KNN zurückgeführt. Das Konzept stellt eine Grundlage zur Steuerung des Walzrundens dar, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens besonders für KMU nachhaltig verbessert werden kann.

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Fügen von Aluminiumlegierungen

Projekt: Erweiterung der Einsatzgrenzen von Vollstanznieten aus höchstfesten Al-Legierungen

Beim Fügen von Aluminiumlegierungen, die aufgrund ihrer geringen spezifischen Dichte als ideale Leichtbauwerkstoffe weit verbreitet sind, existieren starke Bestrebungen, werkstofflich artgleiche Verbindungen zu realisieren. Somit können neben einer besseren Recyclingfähigkeit auch die Korrosionsgefahr sowie thermische Eigenspannungen zwischen den Fügepartnern effektiv reduziert werden. Bei den in der Strukturmontage etablierten stanzenden Fügeverfahren, werden üblicherweise Nietelemente aus Stahl verarbeitet. In einem Vorgängerprojekt konnte jedoch erfolgreich eine neue hochfeste Aluminiumlegierung als geeigneter Nietwerkstoff ermittelt werden. Hieran anknüpfend wird die Entwicklung des Aluminium-Vollstanzniets fortgeführt - mit dem Ziel, praxisrelevante Gesamtblechdicken im Bereich von 3 - 5 mm hochfester Aluminiumlegierungen zu fügen.

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Reibungsbasierte Rissinitiierung

Reibungsbasierte Rissinitiierung bei umformtechnisch gefügten Verbindungen

Aufgrund ihrer Effizienz werden vorlochfreie, umformtechnische Fügeverfahren verstärkt im Mobilitätssektor eingesetzt. Im Fokus stehen dabei Verfahren, die ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils auskommen, wie bspw. das Clinchen. Vor allem im Bereich des Luftfahrzeugbaus herrscht derzeit ein Akzeptanzproblem bedingt durch die fehlenden Kenntnisse dieser Verbindungen hinsichtlich des Versagensverhaltens bei zyklischer Belastung. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die fundierte Analyse der Rissinitiierung an umformtechnisch gefügten Clinchverbindungen und die Prognose des Anriss Ortes sowie Lebensdauer dieser Verbindungen. Eine zentrale Aufgabenstellung besteht dabei in der Darstellung des Einflusses der reibungsbasierten Rissinitiierung auf das Versagensverhalten der Clinchverbindung.

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Schädigungsanalyse einer Fügeverbindung

Schädigungs- und Versagensverhalten stanzgenieteter Faser-Kunststoff-Verbunde bei zyklischer Belastung

Das Halbhohlstanznieten ist ein effizientes und in der Strukturmontage von Kraftfahrzeugen etabliertes Fügeverfahren. Beim Verbinden von leistungsfähigen Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) und Metallen resultieren prozessbedingte Schädigungen, wie bspw. Delaminationen, deren Einfluss auf die Verbindungseigenschaften, insbesondere bei zyklischer Belastung, berücksichtigt werden müssen.

Wesentlicher Bestandteil des Vorhabens ist die Analyse des zyklischen Schädigungs- und Versagensverhalten der Verbindungs-Einzelbestandteile und die Übertragung derer auf die Schädigungsanalyse der Fügeverbindung. In der Konsequenz können Zusammenhänge zwischen der Verbindungsausprägung und den Eigenschaften bei zyklischer Belastung abgeleitet werden, wodurch die Akzeptanz des Verbindungsprinzips mit FKV gesteigert und eine sichere Auslegung gewährleistet werden kann.

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Analyse und Vernetzung von Produktionsschritten

Konzeption einer adaptiven Prozesskette für das mechanische Fügen

Produktionsbedingte Schwankungen innerhalb der Bauteilfertigung führen im Produktions­ver­lauf zu zunehmend kleineren Toleranzfeldern und somit zu hohen Kosten. Die Vernetzung der Produktionsdaten der einzelnen Produktionsschritte ist dabei nur unzureichend gegeben und Korrelationen zwischen diesen Daten sind unbekannt. Somit sind auch die Potenziale für die Erweiterung der Toleranzfelder unbekannt.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Analyse und Vernetzung der Produktionsschritte eines ausgewählten Produktes auf Basis der Produktionsdaten. Um dieses Ziel zu erreichen, werden experimentelle und numerische Analysen entlang der Fertigungskette durchgeführt. Die Produktionsdaten werden zunächst einer Sensitivitätsanalyse unterzogen und anschließend wird die Korrelation zwischen den Fertigungsschritten analysiert. Somit können Toleranzvorgaben erweitert und Kosten eingespart werden.

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Leistungen

  • Anwendungsspezifische Entwicklung und Optimierung von umformtechnischen Fügeverfahren für Leichtbauwerkstoffe (bspw. Faserkunststoffverbunde und Aluminiumknetlegierungen)
  • Prozessintegration des umformtechnischen Fügens durch Fügepunktbemusterung, innovativer Setzgerätkonzepte und ergonomische Arbeitsplatzgestaltung
  • Etablierung von Qualitätssicherungsverfahren, z. B. durch eine Setzprozessüberwachung oder zerstörungsfreie Prüfverfahren
  • Werkstoff- und Verbindungsprüfung unter mechanischer Belastung (statisch, zyklisch, bruchmechanisch)
  • Umformung großer Blechdicken und Entwicklung vereinfachter Prognosemodelle zur steuerungstechnischen Integration
  • Entwicklung selbstlernender Systeme bei umform­­technischen Füge- und Formgebungsprozessen (Künstliche Intelligenz)
  • Prozesssimulation beim Fügen und Umformen mittels numerischer FEM (ANSYS, LS-Dyna, etc.)
  • Analyseverfahren zur Sensitivitäts- und Schadensanalyse beim umformtechnischen Fügen und Formgeben (Material- und  Metallographie)

Ausstattung

Prüflabor Fertigungstechnik Analytiklabor Eingesetzte Software
  • 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)
  • 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)
  • Auf- und Durchlichtmikroskope
  • Funkenemissionsspektrometrie
  • Heliumlecktestgerät
  • Härteprüfgerät
  • Catia V5
  • LS-Dyna
  • ABAQUS (Forschungslizenz)
  • Ansys Workbench V12