Erweiterung der Prozessgrenzen des Halbhohlstanznietens durch den Einsatz geteilter Matrizenwerkzeuge


KURZFASSUNG


Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades


Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)


vorgelegt


der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz


von Dipl.-Ing. (FH) Mathias Jäckel geboren am 22.01.1986 in Dresden


Chemnitz, 24.02.2016


  1. Einleitung


    Der Leichtbau ist eines der dominierenden Entwicklungsfelder im Automobilbau. Einspa- rungen beim Gewicht der Fahrzeugkarosse können dabei einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der CO2-Emissionen oder des Kraftstoffverbrauches bzw. bei der Erwei- terung der Reichweite von Fahrzeugen mit Elektroantrieben leisten. Der Großteil der der- zeit produzierten Fahrzeugkarossen wird aufgrund der niedrigen Kosten und guten Verar- beitbarkeit aus Stahlbauteilen gefertigt. Durch den Einsatz unterschiedlicher Leichtbau- werkstoffe wie Aluminium und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff können entspre- chende Gewichtsreduzierungspotenziale ausgeschöpft werden (Abbildung 1.1).


    Audi R8 E-tron

    Abbildung 1.1: Multimaterial-Karosserie des Audi R8 e-tron [1]


    Diese Potenziale wurden aus Kostengründen in der Vergangenheit überwiegend bei Fahrzeugmodellen im Bereich des Premiumsegmentes genutzt. Allerdings zeigen aktuelle Entwicklungen, dass auch Leichtbauwerkstoffe wie Aluminium in der Großserie zum Ein- satz kommen können. Neben der Herstellung der komplexen Bauteile stellt das Fügen der bei Leichtbaukonzepten verwendeten unterschiedlichen Werkstoffe eine große Heraus- forderung dar.

    Das Fügeverfahren Halbhohlstanznieten ist zurzeit das schwerpunktmäßig angewandte mechanische Fügeverfahren bei der Fertigung von Karossen in reiner Aluminiumbauwei- se oder der Mischbauweise aus Stahl mit Aluminium. Erstmalig eingesetzt wurde das Ver- fahren im Automobilbau bei Audi in den 90er Jahren. Seitdem konnte sich das Verfahren unter anderem als schwerpunktmäßiges Fügeverfahren für die Großserie beim Ford F-150 durchsetzen und hat in diesem Fall das Widerstandpunktschweißen als Hauptfüge- verfahren abgelöst. [2 bis 4]

    Bei unterschiedlichen Anwendungsfällen stößt das Halbhohlstanznietverfahren allerdings an seine Verfahrensgrenzen. Dies betrifft zum einen die Fügerichtung „dick in dünn“ sowie das Fügen von Werkstoffen mit eingeschränkter Duktilität oder kohlenstofffaserverstärk- tem Kunststoff. Ebenfalls bei der Verfahrenskombination des Halbhohlstanznietens mit dem Kleben kann es zu Beeinträchtigungen der Fügepunktqualität aufgrund von Klebstoff- einschlüssen kommen. Für eine weitere positive Entwicklung des Halbhohlstanznietpro- zesses als Fügetechnologie für die Umsetzung von Leichtbaukonzepten muss das Ver- fahren an die neuen Herausforderungen angepasst werden.

    Im Rahmen dieser Arbeit soll der Einsatz eines neuen Matrizenkonzeptes beim Halbhohl- stanznieten dieser bisher kritischen Anwendungsfälle untersucht und entsprechende Lö- sungsansätze zur Erweiterung der Verfahrensgrenzen entwickelt werden. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht die Entwicklung einer Methode für die effektive numerische Prozessentwicklung der neuen Verfahrensvariante für das Halbhohlstanznieten. Darauf aufbauend wird die neue Verfahrensvariante mit dem Stand der Technik in Bezug auf Fügepunktausbildung, Verbindungsfestigkeit sowie fügeprozessbedingte Bauteildeforma- tion gegenübergestellt, um Vor- und Nachteile der beiden Halbhohlstanznietverfahren herauszustellen.


  2. Zielstellung, Lösungsansätze und Methodik


    1. Zielstellung

      Die Zielstellung der Arbeit leitet sich aus den Problemstellungen beim konventionellen Halbhohlstanznieten ab. Ziel ist die Herstellung qualitätsgerechter Verbindungen für die folgenden bisher kritischen Anwendungsfälle für das Verfahren Halbhohlstanznieten:

      • Aluminium- in Aluminiumblech der Fügerichtung „dick in dünn“


      • Stahl- in Aluminiumblech in Kombination mit dem Kleben


      • Aluminiumblech in Kombination mit sprödem Aluminiumdruckguss


      • Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff mit Aluminiumblech


        Die Verbesserung der Verbindungen soll in der Arbeit durch einen neuen Verfahrensan- satz beim Halbhohlstanznieten erreicht werden. Dabei wird die Halbhohlstanznietmatrize in zwei Elemente, hier als Gegenstempel und Matrizenring bezeichnet, geteilt. Die Teilung der Matrize soll ermöglichen, dass ein Teil des Matrizenwerkzeuges während des Füge- prozesses verfahren werden kann, um den Werkstofffluss im Nietprozess positiv zu beein- flussen. Das Verfahren mit einer geteilten Halbhohlstanznietmatrize, bei der ein Matrizen-

        element während des Fügeprozesses bewegt wird, wird im Folgenden als serielles Halb- hohlstanznieten bezeichnet.

        Zum einen sollen in der vorliegenden Arbeit geeignete Verfahrensparameter für das seri- elle Halbhohlstanznieten für das qualitätsgerechte Fügen der oben erwähnten und bisher kritischen Anwendungsfälle mittels numerischer und experimenteller Untersuchungen ermittelt werden. Zum anderen sollen die Vor- und Nachteile des neuen Verfahrens be- züglich Fügepunktausbildung, Verbindungsfestigkeit, fügeprozessbedingter Bauteildefor- mation sowie Werkzeugbelastung im Vergleich zum konventionellen Prozess dargestellt werden.

        Der neue Freiheitsgrad des beweglichen Matrizenelementes, hier als Gegenstempel be- zeichnet, ermöglicht unterschiedliche Regelungskonzepte, die je nach Anwendungsfall als Lösungsansatz infrage kommen. Die in der Arbeit angewandten Lösungsansätze sind im Folgenden beschrieben.


    2. Lösungsansätze


      2.2.1 Serielles Halbhohlstanznieten mit weggeregeltem Gegenstempel

      Eine der betrachteten Verfahrensvarianten ist das serielle Halbhohlstanznieten mit Ge- genstempelwegregelung, welche in Abbildung 2.1 dargestellt ist.


      image

      Abbildung 2.1: Verfahrensablauf des seriellen Halbhohlstanznietens mit weggeregeltem Gegenstempel

      Bei dieser Verfahrensvariante bilden Gegenstempel und Matrizenring zu Beginn des Fü- geprozesses eine ebene Fläche (Abbildung 2.1, I.). Durch die Zustellung des Setzstem- pels schneidet der Niet in das stempelseitige Blech ein (Abbildung 2.1, II.). Nach Zurück- legen eines definierten Stempelweges, bei dem der Niet bei ebener Matrizenkontur in die Fügeteile einschneidet, wird der Gegenstempel abgesenkt, wodurch das Matrizenkontur- volumen erzeugt wird (Abbildung 2.1, III.). Im Anschluss erfolgt wie beim konventionellen Halbhohlstanznieten das Verspreizen des Nietes im matrizenseitigen Fügeteil (Abbildung

      2.1, IV.). Bei Bedarf kann der Gegenstempel ebenfalls zum Auswerfen der Fügeteile aus dem Matrizenwerkzeug verwendet werden (Abbildung 2.1, V.).

      Ziel dieses Verfahrensablaufes ist die Entkopplung des Schneidvorganges vom Umform- vorgang beim Halbhohlstanznieten, um für den im Gegensatz zum konventionellen Halb- hohlstanznieten separierten Schneidprozess Vorzüge auszuweisen, wie z. B. eine ver- besserte Hinterschnittbildung.

      Diese Verfahrensvariante wird in der vorliegenden Arbeit beim Fügen von Aluminium- Aluminium-Blechverbindungen der Fügerichtung „dick in dünn“ als Lösungsansatz ange- wandt. Beim konventionellen Fügeprozess besteht die Problematik, dass das stempelsei- tige Fügeteil während des Fügeprozesses nicht vom Niet durchtrennt und somit kein aus- reichender Hinterschnitt ausgebildet werden kann. Durch das serielle Halbhohlstanznieten mit Gegenstempelwegregelung soll durch den Schneidprozess bei ebener Matrize sowie dem folgenden Absenken des Gegenstempels schon frühzeitig ein Schneiden des Oberbleches erreicht werden, welches in der Folge die Hinterschnittausbildung positiv beeinflussen soll.

      Des Weiteren findet das serielle Halbhohlstanznieten mit weggeregeltem Gegenstempel Anwendung bei der Werkstoffkombination kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff mit Alu- miniumblech. Dabei kommt es beim konventionellen Halbhohlstanznieten zu Schädigun- gen im CFK-Fügeteil. Ziel ist, durch das serielle Halbhohlstanznieten mit weggeregeltem Gegenstempel eine zusätzliche Fixierung der Fügeteile während des Schneidprozesses zu erreichen, um fügeprozessbedingte Delaminationen im CFK im Vergleich zum konven- tionellen Prozess zu reduzieren [5].

      Serielles Halbhohlstanznieten mit kraftgeregeltem Gegenstempel

      Eine weitere betrachtete Verfahrensvariante ist das serielle Halbhohlstanznieten mit kraft- geregeltem Gegenstempel (Abbildung 2.2).


      4-3_Verfahrensablauf_Serielles Halbhohlstanznieten mit Gegenstempelkraftregelung

      Abbildung 2.2: Verfahrensablauf des seriellen Halbhohlstanznietens mit Gegenstempelkraftregelung

      Im Gegensatz zum seriellen Halbhohlstanznieten mit weggeregeltem Gegenstempel wird bei der kraftgeregelten Variante der Gegenstempel von Prozessbeginn bis Ende mit einer definierten Gegenkraft beaufschlagt. Matrizenring und Gegenstempel bilden zu Prozess- beginn eine ebene Fläche (Abbildung 2.2, I.). Im weiteren Prozessverlauf ist die Bewe- gung des Gegenstempels abhängig von der gewählten Gegenkraft Fgs sowie der Kraft, welche die Fügeteile auf den Gegenstempel ausüben (Abbildung 2.2, II.). Die Bewegung des Gegenstempels ist werkzeugseitig bei Erreichen einer bestimmten Matrizentiefe hm durch einen Festanschlag begrenzt (Abbildung 2.2, III.). Im Anschluss erfolgt das Ver- spreizen des Nietes im matrizenseitig angeordneten Fügeteil (Abbildung 2.2, IV.).

      Ziel der Anwendung dieser Verfahrensweise ist die Druckspannungsüberlagerung auf die Fügeteile während des gesamten Fügeprozesses, um die Fügepunktausbildung positiv zu beeinflussen und Rissbildung in den Fügeteilen zu vermeiden.


      2.3 Methodik bei der Verfahrensentwicklung

      Ziel der Arbeit ist die Verfahrensentwicklung des seriellen Halbhohlstanznietens für unter- schiedliche Anwendungsfälle und die Darstellung der Vor- und Nachteile des Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in der Arbeit unterschiedliche experimentelle sowie numerische Untersuchungsmethoden angewandt. Die unterschiedlichen Untersuchungsschwerpunkte und deren Abfolge sind in Abbildung

      2.3 dargestellt.


      image


      Abbildung 2.3: Darstellung der Vorgehensweise bei der Verfahrensentwicklung des seriellen Halbhohlstanznietens im Blockdiagramm

      Für die experimentelle Umsetzung des seriellen Halbhohlstanznietens ist eine Anlage notwendig, mit der sich neben dem Verfahren des Setzstempels gleichzeitig der Gegen- stempel auf der Matrizenseite kraft- oder weggeregelt verfahren lässt. Zum Stand der Technik ist keine Anlagentechnik speziell für das serielle Halbhohlstanznieten am Markt verfügbar. Daher wird als Ausgangsbasis zu Beginn eine Versuchseinrichtung aufgebaut, mit der sowohl das konventionelle, als auch das serielle Halbhohlstanznieten unter Labor- bedingungen umgesetzt werden kann.

      Im Folgenden werden die Problemstellungen beim konventionellen Halbhohlstanznietpro- zess der betrachteten Werkstoffkombinationen experimentell und teilweise numerisch analysiert. Diese Erkenntnisse dienen als Eingangsinformationen für die Verfahrensent- wicklung des seriellen Halbhohlstanznietprozesses und die konventionellen Referenzver- bindungen als Vergleich für die Ergebnisse des seriellen Halbhohlstanznietens.

      Durch die neuen Freiheitsgrade des geteilten Matrizenwerkzeuges bietet das serielle Halbhohlstanznieten zusätzliche Möglichkeiten das Fügeergebnis zu beeinflussen, jedoch steigt gleichzeitig die Komplexität bei der Verfahrensentwicklung. Daher werden, ausge- hend von den validierten Simulationsmodellen des konventionellen Halbhohlstanznietpro- zesses, die geeigneten Verfahrensparameter für das serielle Halbhohlstanznieten anhand numerischer Untersuchungen ermittelt. Im Ergebnis der numerischen Verfahrensentwick- lungen stehen die ermittelten Verfahrensparameter wie Abmaße der Matrizenwerkzeuge, geeigneter Stanzniet sowie die Kinematik des Gegenstempels.

      Im Anschluss an die numerische Bestimmung der Verfahrensparameter werden die ent- sprechenden Werkzeuge gefertigt und die ermittelten Verfahrensparameter in experimen- tellen Untersuchungen validiert. Als Ergebnis steht die durch das serielle Halbhohlstanz- nieten realisierbare Fügepunktausbildung sowie die Kenntnis über die Abbildegenauigkeit des numerischen Modells.

      Auf dessen Basis werden Sensitivitätsanalysen durchgeführt, welche grundlegende Zu- sammenhänge zwischen den Prozessparametern und dem Fügeergebnis beim seriellen Halbhohlstanznieten verdeutlichen sollen. Zusätzlich werden in den numerischen Unter- suchungen die Belastungen auf die Fügewerkzeuge analysiert. Dabei werden die einteili- gen Matrizen des konventionellen Prozesses mit den Werkzeugelementen des seriellen Halbhohlstanznietens gegenübergestellt, um eventuell in Bezug auf Matrizenbruch ge- fährdete Bereiche zu ermitteln.

      Eine finale Festlegung der geeigneten Verfahrensparameter für das serielle Halbhohl- stanznieten erfolgt erst nach einer experimentellen Prozessfensteranalyse. Im Mittelpunkt dieser Untersuchung steht die Variation der Kinematik des Gegenstempels und deren Einfluss auf die Fügepunktausbildung. Dies ermöglicht das Definieren von Grenzen der Prozessparameter für einen robusten Nietprozess.

      Nachdem die Verfahrensparameter, sowohl für das konventionelle als auch für das seriel- le Halbhohlstanznieten, für alle betrachteten Werkstoffkombinationen festgelegt sind, werden die erreichbaren Verbindungsfestigkeiten sowie die durch den Fügeprozess ent- stehenden Bauteildeformationen ermittelt und gegenübergestellt.

      Im Endergebnis ermöglicht diese Vorgehensweise den direkten Vergleich zwischen dem konventionellen und seriellen Halbhohlstanznieten in Bezug auf Fügepunktausbildung, Werkzeugbelastung, Verbindungsfestigkeit sowie der durch den Fügeprozess entstehen- den Bauteildeformationen.

  3. Zusammenfassung der Ergebnisse


Die Untersuchungen zum seriellen Halbhohlstanznieten zeigen, dass mit der neuen Ver- fahrensvariante in allen untersuchten Anwendungsfällen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik generiert werden können (Tabelle 3.1).


Tabelle 3.1: Zusammenfassung der Ergebnisse des seriellen Halbhohlstanznietens für unterschiedliche Anwendungsfälle in Bezug zum konventionellen Halbhohlstanznieten


Al.- in Al.-

Blech (dick in dünn)

St.- in Al.- Blech (hybrid)

Al.-Blech in spröden

Al.-Druckguss

CFK in Al.-Blech

Gegenstempel- regelung


Wegregelung


Kraftregelung


Kraftregelung


Wegregelung

Geometrische Fügepunktaus- bildung


Deutliche Verbesserung


Deutliche Verbesserung


Deutliche Verbesserung


Leichte Verbesserung

Fügeprozess- bedingte Schä- digung der Fü- geteile

Keine Schädi- gung

(wie K-HHSN)

Keine Schädi- gung

(wie K-HHSN)

Vermeidung von Rissbildung im Al.- Druckguss


Geringere Delaminatio- nen im CFK


Verbindungs- festigkeiten


Tendenziell geringer


Tendenziell höher

Scherzug hö- her, Kopfzug geringer


Vergleichbar zum K-HHSN


Dabei wurden besonders im Hinblick auf die Fügepunktausbildung deutliche Verbesse- rungen bei den unterschiedlichen bisher kritischen Werkstoffkombinationen erreicht.

Das größte Potenzial weist das Verfahren beim Fügen der untersuchten Paarungen mit sprödem Aluminiumdruckguss auf, bei denen im Gegensatz zum konventionellen Halb- hohlstanznieten die im Fügeprozess verursachte Rissbildung in den Fügeteilen vollständig vermieden werden kann.

In den Entwicklungsarbeiten konnte ein grundlegendes Prozessverständnis für das Halb- hohlstanznieten mit geteilter Matrize und In-Prozess-Kinematik des Gegenstempels er-

langt werden. Bezogen auf das Matrizenwerkzeug haben der Matrizendurchmesser sowie die Kinematik des Gegenstempels den größten Einfluss auf das Fügeergebnis.

Die Verfahrensvarianten serielles Halbhohlstanznieten mit Gegenstempelwegregelung und Gegenstempelkraftregelung weisen bei unterschiedlichen Anwendungsfällen ver- schiedene Vorteile auf. Demzufolge sollte die Wegregelung des Gegenstempels zur Ver- besserung des Schneidvorganges bei Aluminiumblechverbindungen der Fügerichtung

„dick in dünn“ sowie bei CFK-Aluminiumblechverbindungen verwendet werden. Die Ge- genstempelkraftregelung ist beim Halbhohlstanznieten spröder Werkstoffe und bei kriti- schen Klebstoffeinschlüssen beim Halbhohlstanznietkleben zielführend.

Generell wirkt sich beim seriellen Halbhohlstanznieten die Verwendung eines geringeren Matrizendurchmessers positiv auf die geometrischen Werte der Fügepunktausbildung aus. Daraus resultieren höhere Koaxialitätsanforderungen zwischen Setzwerkzeug und Matrize.

Neben der Verfahrensentwicklung konnten wichtige Erkenntnisse in Bezug auf die Tole- rierbarkeit von den im Halbhohlstanznietprozess verursachten Imperfektionen in den Fü- geteilen erlangt werden. Die beim konventionellen Halbhohlstanznieten von sprödem Aluminiumdruckguss in begrenztem Maße auftretende Rissbildung in den Fügteilen hat in den durchgeführten Festigkeitsuntersuchungen keinen signifikanten Einfluss auf das Ver- sagen der Verbindungen. Ähnliche Zusammenhänge wurden beim Halbhohlstanznieten von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff festgestellt.

Zusammenfassend konnte in der Arbeit nachgewiesen werden, dass durch das serielle Halbhohlstanznieten die Verfahrensgrenzen der mechanischen Fügetechnik besonders in Bezug auf die Verarbeitung von unterschiedlichen Leichtbauwerkstoffen erweitert werden können.

Literaturverzeichnis


[1] Audi AG: Audi R8 e-tron - Multimaterial-Karosserie in Audi Space Frame Bauweise, Audi Technologie Portal. http://app.audi- presskit.de/de/future_lab_tron_experience/audi-r8-e-tron/technical, abgerufen am: 12.03.2015

[2] Alber, U.: Innovative joining technolgies in the new AUDI Q7. Joining in Car Body En- gineering. Bad Nauheim 2015

[3] Bangel, M., Müller, S. u. Hornbostel, N.: Mechanisches Fügen im Automobil-

Leichtbau. DVS Congress. Nürnberg 2010


[4] Brooke, L.: The F-150’s Aluminum Diet. New York Times, New York 2014. http://www.nytimes.com/2014/01/12/automobiles/autoshow/the-f-150s-aluminum- diet.html?_r=0, abgerufen am: 09.07.2015

[5] Schürmann, H.: Konstruieren mit Faserverbundwerkstoffen. Berlin: Springer 2004