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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.

 
 

Veröffentlichungen:

2019   
  Simulation-aided development of a robust thermoclinching joining process for hybrid structures with textile reinforced thermoplastic composites and metalic components Gude, M.; Vogel, C.; Gröger, B.
In: Materials Science and Engineering Technology, 2019 (eingereicht)
2017   
  Simulation of a novel joining process for fiber reinforced thermoplastic composites and metallic components Gude, M.; Hufenbach, W.; Freund, A.; Kupfer, R.; Vogel, C.
In: Mechanics of Composite Materials 52 (2017), 733-740
  Design of material adapted joints – Potentials and challenges in joining fiber reinforced thermoplastics to dissimiliar materials at the example of thermoclinching Gude, M.
In: Europe Africa Conference 2017 of the Polymer Processing Society, 26.-29. Juni 2017, Dresden
  Durchgängige Simulationsmethoden zur Prozess- und Strukturanalyse von hybriden thermoplastischen Faserverbundstrukturen Gude, M.; Barfuss, D.; Vogel, C.
In: Werkstoffwoche Dresden, 27.-29. September 2017, Dresden
2016   
  Simulation based process development for the novel thermoclinching joining technology Gude, M.; Freund, A.; Vogel, C.
In: Euro Hybrid Materials and Structures, 20.-21. April 2016, Kaiserslautern
2015   
  Development of novel form-locked joints for textile reinforced thermoplastices and metallic components Gude, M.; Hufenbach, W.; Freund, A.; Kupfer, R.; Vogel, C.
In: Journal of Materials Processing Technology 216 (2015), 140-145
  Numerical simulation based process development of the novel thermoclinching technology for textile reinforced thermoplastics Gude, M.; Freund, A.; Vogel, C.
In: 18. Workshop Simulation in der Umformtechnik & 3. Industriekolloquium des SFB/TR73, Shaker Verlag, 2015, 211–213
  Werkstoff- und bauweisengerechte Simulationsstrategien zur numerischen Struktur- und Prozessanalyse im compositeintensiven Leichtbau Gude, M.; Jäger, H.; Freund, A.
In: NAFEMS Magazin 2:34 (2015), 52-58
2014   
  Methods for the Process-Integrated Hybridisation of Lightweight Structures in Multi-Material Design Gude, M.; Maass, J.; Vogel, C.; Garthaus, C.
In: Materials Science Engineering, 23.-25. Mai 2014, Darmstadt
  Thermoclinching – a novel joining process for lightweight structures in multi-material design Gude, M.; Hufenbach, W.; Vogel, C.; Freund, A.; Kupfer, R.
In: Composites Theory and Practice 14:3 (2014), 128-133
  Fügesysteme für Faserverbundstrukturen mit Thermoplastmatrix Hufenbach, W.; Gude, M.; Troschitz, J.; Kupfer, R.
In: Lightweight Design 3 (2014), 18-23
 

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