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 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

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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Die Steuerung des Walzrundens für KMU nachhaltig verbessern

Vereinfachtes Ersatzmodell zur Prozesssteuerung beim Walzrunden großer Blechdicken - Umformoptimierung

Das industrielle Walzrunden von Grobblechen kleiner Losgrößen wird derzeit rein manuell gesteuert. Dies hat zur Folge, dass die Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Umformprozesses maßgeblich von der Erfahrung des Anlagenbedieners abhängt. Um den Prozess zu optimieren, wird daher innerhalb des Forschungsprojekts ein objektiver echtzeitfähiger Steuerungsansatz basierend auf einem vereinfachten Ersatzmodell entwickelt. Mithilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen sowie einer Sensitivitätsanalyse der Einflussfaktoren kann das Ersatzmodell gezielt für einen industriell relevanten Parameterraum angelernt werden. Durch den Einsatz des Ersatzmodells wird die Steuerung des Walzrundens besonders für KMU nachhaltig verbessert.

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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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Projekte

FKV-Metallverbindungen
(Laufzeit: '17-'18)
Modellierungsstrategie zur anwendungsgerechten Simulation stanzender Fügerverfahren in FKV-Metall-Verbindungen-FKV-Stanznietsimulation
Fügestellendynamik
(Laufzeit: '17-'18)
Fügestellendynamik - Einfluss mechanischer Fügeverbindungen auf das Dämpfungsverhalten stahlbaulicher Tragwerkstrukturen
Gewindeeinsätze für Leichtmetallverschraubungen
(Laufzeit: '16-'19)
Gewindeeinsätze für Leichtmetallverschraubungen
Setzverfahren
Blindnietmutterverbindungen (BNM)

(Laufzeit: '15-'17)
Vergleich und Analyse verschiedener Setzverfahren zur Herstellung qualitätsgerechter Blindnietmutterverbindungen (BNM)
HakU
(Laufzeit: '16-'20)
Handhabungssystem für die kaltplastische Umformung – HakU
PLUGZ
(Laufzeit: '15-'16)
Erhöhung der Fügepunktsteifigkeit durch Z-Pins beim mechanischen Fügen von FVK-Metall-Hybridstrukturen – PLUGZ
Fügeverbindungen SRB
(Laufzeit: '14-'17)
Fügeverbindungen mit Schließringbolzen (SRB) unter atmosphärischen Belastungen
Gittertürme WEA
(Laufzeit: '13-'15)
Einsatz von wartungsfreien Gittertürmen für Windenergieanlagen (WEA)
Setzprozessunregelmäßigkeiten
bei Schließringbolzensystemen (Laufzeit '13-'15)
Numerische und experimentelle Untersuchung von Setzprozessunregelmäßigkeiten bei Schließringbolzensystemen
FVK
(Laufzeit: '13-'14)
Simulation des Halbhohlstanznietprozesses von FVK durch mehrskalige Modellierung
Laser- und ultraschallgestütztes Clinchen
(Laufzeit: '13-'14)
Laser- und ultraschallgestütztes Clinchen von hochfesten Stahl/Aluminium-Mischverbindungen
Tragverhalten FVK
(Laufzeit: '11-'13)
Tragverhalten vorgespannter, scherbeanspruchter mechanischer Fügeverbindungen in Strukturbauteilen aus Faserverbund-kunststoffe (FVK)
Stanznieten von Großstrukturen
(Laufzeit: '09-11')
Kostenoptimiertes robotergestütztes Stanznieten von Großstrukturen
Fügeprozessicherheit
(Laufzeit: '08-'10)
Fügeprozesssicherheit von Blindniet-Setzvorgängen bei Montage- und Bauteilunregelmäßigkeiten
Zerstörungsfreie Bauteilprüfung
(Laufzeit: '06-'08)
Zerstörungsfreie Bauteilprüfung von Schließringbolzen- und Blindnietverbindungen mit Aktor-Sensor-System
Korrelation zwischen Fertigungsparametern und Tragfähigkeit
(Laufzeit: '06-'08)
Korrelation zwischen Fertigungsparametern und Tragfähigkeit für kraft-und formschlüssige Schließring-und Blindbolzenverbindungen
Blindgenietete Funktionselemente
(Laufzeit: '06-'08)
Einsatz von blindgenieteten Funktionselementen in ausgewählten Bauteilwerkstoffen
Hochleistungstechnologien Fügen - TP9
(Laufzeit: '06 - '08)
Hochleistungstechnologien zum Fügen in schiffbaulichen Vorfertigungs-Montage-und Ausrüstungsprozessen zum mechanischen und wärmereduzierten Fügen sowie Kleben in Ausrüstungsprozessen
Huck-Spin- und Schraubenverbindungen
(Laufzeit: '06-'07)
Vergleichende statische und dynamische Festigkeitsuntersuchungen an Huck-Spin- und Schraubenverbindungen
Vorspannkraft und Relaxationsverhalten von Schließringbolzen in Aluminium-Strangpressprofilen
(Laufzeit: '06)
Vorspannkraft und Relaxationsverhaltenvon Schließringbolzen in Aluminium-Strangpressprofilen
Hemlok-Blindniet-Verbindungen
(Laufzeit: '05-'07)
Quasi-statische und dynamische Festigkeitsuntersuchungen an HEMLOK-Blindniet-Verbindungen
Tragverhalten von Schließringbolzenverbindungen
(Laufzeit: '04-'06)
Einfluss von werkstofflichen und geometrischen Parametern auf das Tragverhalten einer Schließringbolzenverbindung
Wöhlerversuche an Stanznietverbindungen
(Laufzeit: '04-'05)
Durchführung von Wöhlerversuchen an Stanznietverbindungen mit verschiedenen Materialkombinationen
Clinchen von Stahl- und Aluminiumwerkstoffen unter Einwirkung von Ultraschall
(Laufzeit: '03-'05)
Clinchen von Stahl- und Aluminiumwerkstoffen unter Einwirkung von Ultraschall
Fügeverfahren im Schiffbau
(Laufzeit: '02-'04)
Untersuchungen zum wirtschaftlichen Einsatz moderner mechanischer Fügeverfahren für ausgewählte Montageaufgaben im Schiffbau
Hucklok Blindnieten
(Laufzeit: '02-'03)
Festigkeits- und Korrosionsuntersuchungen an neuartigen Hucklok Blindnietsystemen
Auslegung von Schließringbolzenverbindungen
(Laufzeit: '02-'03)
Auslegung von Schließringbolzenverbindungen bei Mischbauweisen unter thermischer Beanspruchung
Beanspruchung von Schließringbolzenverbindungen
(Laufzeit: '99-'01)
Festigkeitseigenschaften von Schließringbolzenverbindungenbei statischer und dynamischer Beanspruchung

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

  • 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