C2

Arbeitsgruppe C | Simulation

 
 

Simulationsgestützte Entwicklung und Qualifizierung eines neuartigen Thermoclinch- Fügeverfahrens für Mischbauweisen mit textilverstärkten Thermoplastverbunden

Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude, TU Dresden

 
 

Zusammenfassung:

Ziel des Verbundvorhabens ist die simulationsgestützte Entwicklung und Qualifizierung eines neuartigen umformbasierten Fügeverfahrens für Metall-Kunststoff-Mischbauweisen mit textilverstärkten Thermoplastverbunden. Beim neu konzipierten „Thermoclinchen“ wird die Faserverbundstruktur partiell erwärmt und erweicht, lokal durch eine Öffnung im Metallblech durchgesetzt und zu einem Hinterschnitt mit definierter Faserverstärkung aufgespreizt. Für diesen thermomechanischen Fügeprozess mit großer plastischer Deformation des textilverstärkten thermoplastischen Fügepartners sind geeignete Fügevorrichtungen, -werkzeuge und Prozessparameter zu erarbeiten. Die grundlegenden technologischen, theoretischen und experimentellen Untersuchungen werden exemplarisch für die Fügeteilwerkstoffe glasfaserverstärktes Polypropylen (GF/PP) und Aluminium durchgeführt. Zur Gestaltung des Thermoclinch-Fügeprozesses unter Berücksichtigung der heterogenen anisotropen Werkstoffstruktur werden numerische Prozesssimulationen mit eigens zu entwickelnden skalenübergreifenden Simulationsstrategien durchgeführt. Dabei erfolgt zunächst eine virtuelle Materialmodellierung auf Basis experimentell ermittelter Werkstoffkennwerte der einzelnen Verbundkomponenten.

Unter Einsatz von Homogenisierungstechniken und repräsentativen Volumenelementen wird daraus eine Beschreibung des temperaturabhängigen anisotrop elasto-plastischen Werkstoffverhaltens gewonnen. Die numerischen Prozesssimulationen geben Aufschluss über die Ausbildung der Fügestelle. Sie dienen darüber hinaus zur werkstoffgerechten Gestaltung von Fügewerkzeugen sowie zur Einstellung der Prozessparameter. Die Fügestellenqualität wird auf der Makroebene anhand der geometrischen Ausbildung der Fügezone und auf der Mikroebene anhand des umformtechnisch induzierten Faserverlaufs im Fügebereich sowie allfälligen Schädigungsphänomenen bewertet. Hierzu kommt neben den klassischen zerstörenden Prüfungen über Schliffbildanalysen die Computertomographie zum Einsatz. Darüber hinaus dienen diese Untersuchungen zur Validierung der Prozesssimulation, insbesondere der Fügestellenausbildung. Die Bewertung der Verbindungseigenschaften erfolgt über genormte Belastungstests für einschnittige Verbindungen (Scherzug, Kopfzug, Schälzug), wobei im ersten Antragszeitraum quasistatische Belastungen im Fokus stehen. In umfangreichen Prozessstudien wird das komplexe Zusammenwirken von geometrischen und prozesstechnischen Einflussgrößen systematisch analysiert. Parallel dazu werden das Thermoclinchen für alternative Materialpaarungen wie etwa für kohlenstofffaserverstärkte Thermoplaste erprobt, eine ganzheitliche Bewertung der neuen Verbindungstechnologie vorgenommen sowie Hinweise für die belastungsgerechte Fügestellengestaltung erarbeitet.

 

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