B2

Arbeitsgruppe B | Form-/Kraftschluss

 
 

Numerische und experimentelle Untersuchungen zum Versagen beim Clinchen von kurzfaserverstärkten Thermoplasten mit Aluminium-Blechwerkstoffen

Prof. Dr.-Ing. habil. Raimund Rolfes, Leibnitz Universität Hannover
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens , Leibnitz Universität Hannover
Dr.-Ing. Anas Bouguecha, Leibnitz Universität Hannover

 
 

Zusammenfassung:

Das Verbinden von Einzelkomponenten aus unterschiedlichen Materialien spielt im Bereich des modernen Leichtbaus eine wichtige Rolle. Dabei werden vermehrt unterschiedliche Metalle, wie bspw. hochfeste Stähle sowie Aluminium- und Magnesiumlegierungen, mit faserverstärkten Kunststoffen (FVK) zur Herstellung eines hybriden Bauteils in multimaterialer Bauweise eingesetzt. In diesem Zusammenhang stellen kurzfaserverstärkte Kunststoffe auf Basis von Polyamid 6 (PA6) eine interessante Materialkomponente dar. Hauptgründe für die Verwendung von kurzfaserverstärkten Kunststoffen (Short Fiber Reinforced Plastics engl. abgekürzt SFRP) liegen in der gestalterischen Freiheit und den kurzen Prozesszeiten, die durch die Verarbeitung im Spritzgussverfahren erreicht werden. Darüber hinaus weisen FVK eine ausgezeichnete spezifische Steifigkeit sowie Festigkeit auf. Um hybride Strukturen in einem breiten Anwendungsspektrum einsetzen zu können, ist die Verwendung geeigneter Verbindungstechniken erforderlich. Unter den verschiedenen Fügeverfahren wie Schweißen und Nieten, ist die umformbasierte Fügetechnologie Clinchen für Materialien mit teilweise sehr unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften und Materialdicken besonders vielversprechend. Clinchen ermöglicht die mechanische Befestigung von unabhängigen Blechteilen mittels Reibung durch einen Formschluss zwischen den Teilkomponenten. Dieses wird durch die Einleitung einer gezielten, lokalen plastischen Deformation in den zu verwendenden Materialien erreicht, ohne die Notwendigkeit einer speziellen Oberflächenbehandlung (in der Regel für Schweißen und Lötprozesse erforderlich) oder der Nutzung von Zusatzelementen. Eine der maßgeblichen Herausforderungen bei der Auslegung eines Clinchprozesses für eine artverschiedene Materialpaarung ist die Berücksichtigung der recht abweichenden Steifigkeiten, des plastischen Verhaltens und der Formänderungsgrenzen der zu verwendenden Materialien. Die Materialeigenschaften sowie die Prozessparameter definieren die resultierende Festigkeit und das Profil der formschlüssigen Verbindung und müssen für eine simulationsgestützte Prozessauslegung detailliert modelliert werden.

In einer Kooperation zwischen dem Institut für Statik und Dynamik (ISD) und dem Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM), beide zugehörig zur Leibniz Universität Hannover (LUH), innerhalb des SPP1640 wird im Rahmen des Teilprojektes C1 das hybride Clinchen (konventionell und temperiert) von kurzfaserverstärkten Thermoplasten mit Aluminiumblechen experimentell und numerisch untersucht. Dabei wird das elastische (thermo-) plastische Verhalten, die Anisotropie und das Materialversagen während des Fügevorgangs betrachtet. Dies erfordert eine grundlegende Charakterisierung sowohl des thermoplastischen Materials als auch des Aluminiums unter Berücksichtigung von Triaxialität, Anisotropie und Temperaturabhängigkeit. Basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) wird das (thermo-) mechanische Verhalten des stark anisotropen kurzfaserverstärkten Thermoplasten und des Aluminiums modelliert und in ein übergeordnetes Simulationsmodell integriert. Durch die numerische Abbildung des hybriden Clinchenprozeses wird der Fügeansatz zur Erzielung einer formschlüssigen Verbindung zwischen den hybriden Materialpartnern in Abhängigkeit von den Prozessparametern bewertet. Über den Abgleich der Simulation mit experimentellen Ergebnissen hinsichtlich des Umformprozesses und der resultierenden Verbindungsfestigkeit soll abschließend eine Richtlinie zur Auslegung, Herstellung und Prüfung hybrider Clinchverbindungen erstellt werden.

 
 
Abbildung 1: Experimentelle und numerische Untersuchungen für den EN AW 5754 und PA6GF30: a) Computertomographische 3D-Analyse, b) Konstitutive Modellierung, c) Modellverifikation und -validierung, d) 3D FE-Modell des Clinchprozesses, e) Numerische Untersuchung, f) Experimentell-numerische Validierung
Abbildung 1: Experimentelle und numerische Untersuchungen für den EN AW 5754 und PA6GF30: a) Computertomographische 3D-Analyse, b) Konstitutive Modellierung, c) Modellverifikation und -validierung, d) 3D FE-Modell des Clinchprozesses, e) Numerische Untersuchung, f) Experimentell-numerische Validierung
 
 

Die Ziele des Forschungsprojekts sind:

Ausgehend von den Forschungsergebnissen der ersten Phase des Teilprojekts C1, in dem das Hybrid-Clinchen bei Raumtemperatur untersucht wurde (konventioneller Prozess), stand in der zweiten Projektphase das temperierte Clinchverfahren im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten. Hierdurch konnte eine Materialschädigung im SFRP, welche beim konventionellen Clinchverfahren auftritt, miniminiert werden. Dementsprechend wurden neue Erkenntnisse und Entwicklungen auf dem Gebiet des Hybridfügens von Aluminium- und SFRP-Platten erzielt, woraus sich die aktuellen Projektziele ableiten:

- Ermittlung einer geeigneten Temperaturführung für den thermo-mechanischen Clinchprozess

- Minimierung der Schädigung im SFRP durch gezielte Temperaturführung

- Erweiterung des Prozessfensters und Steigerung der Verbindungsfestigkeit

- Entwicklung neuer Methoden zur experimentell-numerischen Versagensuntersuchung von SFRP

- Numerische Bewertung der Verbindungsfestigkeit zur Untersuchung der Robustheit des hybriden Clinchens

Im Zuge der Materialcharakterisierung ist das jeweilige Materialfließverhalten der unterschiedlichen Fügepartner grundlegend zu untersuchen. Hierfür werden Zug-, Druck- und Scherversuche sowie die hydraulische Tiefung angewendet. Darüber hinaus wird der anisotrope Materialaufbau der kurzglasfaserverstärkten Thermoplaste in Bezug auf die Faserorientierung durch den Einsatz computertomographischer 3D-Analyseverfahren experimentell bestimmt (siehe Abb. 1a). Im Hinblick auf die Materialmodellierung werden die in der ersten Projektphase entwickelten Materialmodelle für SFRP um die Temperaturabhängigkeit des mechanischen Verhaltens erweitert (siehe Abb. 1b). Die erweiterten Materialmodelle werden kalibriert und anhand der experimentellen Ergebnisse der Materialcharakterisierung validiert (siehe Abb. 1c). Anschließend werden die Materialmodelle in ein FE-Gesamtmodell zur numerischen Abbildung des temperierten Clinchprozesses integriert (siehe Abb. 1d). Weiterhin wird die Simulation des hybriden Clinchens durchgeführt (siehe Abb. 1e) und zur Validierung mit experimentellen Ergebnissen abgeglichen (siehe Abb. 1f).

Die Herstellung von hochwertigen Verbindungen mit hoher Verbindungsfestigkeit ist eines der primären Ziele der fügetechnischen Fertigungsindustrie. Dementsprechend werden in der dritten Projektphase die progressive Schädigung und das Versagen von SFRP und Aluminium charakterisiert, modelliert und in das bereits entwickelte FE-Gesamtmodell integriert. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass experimentelle Prüfungen einer Clinchverbindung sehr teuer und zeitaufwendig sind, ermöglichen diese Erweiterungen eine simulationsbasierte (virtuelle) Bewertung des resultierenden Formschlusses. Abgeleitet von den numerischen Ergebnissen erfolgt die Ermittlung der Prozessparameter, welche für die Verbesserung der Verbindungsfestigkeit der hybriden Clinchverbindung ausschlaggebend sind. Dies soll eine zuverlässige und robuste Herstellung von formschlüssigen Hybridverbindungen ermöglichen.

 
 

Veröffentlichungen:

2018   
  Invariant-based finite strain anisotropic material model for fiber-reinforced composites. Dean, A.; Reinoso, J.; Sahraee, S.; Daum, B.; Rolfes, R.:
Sorić J., Wriggers P., Allix O. (eds) Multiscale Modeling of Heterogeneous Structures. Lecture Notes in Applied and Computational Mechanics. Springer 86 (2018)
2017   
  A thermodynamically consistent framework to couple damage and plasticity microplane-based formulations for fracture modeling: Development and algorithmic treatment. Dean, A.; Sahraee, S.; Özenc, K.; Reinoso, J.; Rolfes, R.; Kaliske, M.:
International Journal of Fracture 203 (2017) 115–134
  A new invariant-based thermo-plastic model for finite deformation analysis of short fibre reinforced composites Dean, A.; Sahraee, S.; Reinoso, J.; Rolfes, R.:
Development and numerical aspects, Composites Part B: Engineering 125 (2017) 241–258
  Finite strain anisotropic elasto-plastic model for the simulation of the forming and testing of metal/short fiber reinforced polymer clinch joints at room temperature. Dean, A.; Rolfes, R.; Behrens, B.-A.; Bouguecha, A.; Hübner, S.; Bonk, C.; Grbic, N.:
20th annual Conference on Material Forming (ESAFORM), Dublin, Ireland. AIP Conference Proceedings 1896 (2018) 030037
  A systematic approach to invariant-based anisotropic non-associative plasticity for fiber reinforced composites Daum, B.; Dean, A.; Rolfes, R.:
21th International Conference on Composites Materials (ICCM21), Xi'an, China (2017)
  Material Modeling of Short Fiber Reinforced Polymeric Composites: Theory, Numerical Aspects, and Applications Dean, A.:
Dissertation, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover (2017)
2016   
  FEA of the Clinching Process of Short Fiber Reinforced Thermoplastic with an Aluminium Sheet using LS-DYNA. Behrens, B.-A.; Bouguecha, A.; Vucetic, M.; Grbic, N.:
19th annual Conference on Material Forming (ESAFORM), Nantes, France. AIP Conference Proceedings 1769 (2016) 100012
  An invariant-based anisotropic material model for short fiber-reinforced thermoplastics. Dean, A.; Reinoso, J.; Sahraee, S.; Rolfes, R.:
Coupled thermo-plastic formulation Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 90 (2016) 186–199
  Finite deformation model for short fibre reinforced composites: Application to hybrid metal-composite clinching joints. Dean, A.; Sahraee, S.; Reinoso, J.; Rolfes, R.:
Composite Structures 151 (2016) 162–171
  A novel finite deformation model for short fiber reinforced composites. Dean, A.; Sahraee, S.; Reinoso, J.; Rolfes, R.:
Multiscale Modeling of Heterogeneous Structures Conference (MUMO), Dubrovnik, Croatia (2016)
2015   
  A thermodynamically consistent framework to couple microplane damage and plasticity models. Dean, A.; Reinoso, J.; Sahraee, S.; Rolfes, R.:
IV International Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials and Structures (CFRAC15), Paris, France (2015)
  An invariant-based anisotropic thermo-plastic material model for short fiber reinforced thermoplastics. Dean, A.; Reinoso, J.; Sahraee, S.; Rolfes, R.:
20th International Conference on Composites Materials (ICCM20), Copenhagen, Denmark (2015)
2014   
  Material characterization for FEA of the clinching process of short fiber reinforced thermoplastics with an aluminum sheet. Behrens, B.-A.; Rolfes, R.; Vucetic, M.; Peshekhodov, I.; Reinoso, J.; Vogler, M.; Grbic, N.:
6th International Conference on Tribology in Manufacturing Processes & Joining by Plastic Deformation, Darmstadt, Germany.
Advanced Materials Research 966–967 (2014) 557–568
  Material modelling of short fiber reinforced thermoplastic for the FEA of a clinching test. Behrens, B.-A.; Rolfes, R.; Vucetic, M.; Reinoso, J.; Vogler, M.; Grbic, N.:
International Conference on Manufacture of Lightweight Components – ManuLight2014, Dortmund, Germany.
Procedia CIRP 18 (2014) 250–255
2013   
  Clinchen eines kurzfaserverstärkten Thermoplasten mit einem Aluminiumblechwerkstoff. Behrens, B.-A.; Hübner, S.; Götze, T.; Grbic, N.:
Umformtechnik: Gestern – Heute – Morgen,
20. Sächsische Fachtagung Umformtechnik – SFU, Dresden, Germany. Tagungsband (2013) 53–62
 

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