FEM-basierte Untersuchungen einer innovativen Metall-FVK...

FEM-basierte Untersuchungen einer

innovativen Metall-FVK Fügetechnik

AIT Austrian Institute of Technology

LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH

Rudolf Gradinger, Stephan Ucsnik09.11.2010, hybridica Forum, Thementag „Hybridbauweisen und Multimaterialsysteme für

innovative Leichtbaulösungen“

2Hybridica, 9.11.2010 2

Gliederung

Motivation: Anhaltender Trend zu Materialmix im Transportwesen

Stand der Technik

Innovative Fügeverfahren für Leichtmetalle im Materialmix

Ausblick

Zusammenfassung

AIT Austrian Institute of Technology

329.01.2010

MOBILITY

Transportation

Infrastructure

Technologies

Light Metal

Competence

Center (LKR)

Dynamic

Transportation

Systems

Electric Drive

Technologies

AIT ist eines von Europas’s führenden

Mobilitätsforschungszentren!

LKR ist eine Geschäftsfeld des AIT

Mobilitätsdepartments und konzentriert sich

auf:

Materialentwicklung

Prozessentwicklung

Materialgerechtes Design

Blin

dtext auf einer PPT-Folie, ein Text

ohne weitere Bedeutung, allein der

Visualisierung eines grafischen

Konzeptesdienend. (16pt)

Blindtext auf einer PPT-Folie, ein

Text ohne weitere Bedeutung,

allein der Visualisierung dienend.

Ranshofen

LKRWien

AITSeibersdorf

Allgemeine Firmendaten

LKR

Anzahl der Mitarbeiter: 34 VÄ

Ort: Ranshofen

Umsatz: ca. 5 Mio. €

100% Tochter der AIT

Außeruniversitäre Forschungseinrichtung

Zertifizierungen

ISO 9001

ISO 17025


Wichtigste Forschungsthemen

Materialentwicklung• Legierungsentwicklung und -optimierung

• Optimierung von Wärmebehandlungsparameter

• Verbesserung von mechanischen & dynamischen Eigenschaften

• Optimierung des Legierungsmikrogefüges

Prozessentwicklung und -optimierung• Entwicklung und Verbesserung von Gussprozessen

• Evaluierung und Optimierung von Umformprozessen

• Simulation von Prozesstechnologien

• Prozessevaluierung u. -optimierung in externen Produktionslinien

• Validierung und Prototypenherstellung

Materialbasiertes Design• Design von Leichtbaustrukturen

• Crashsimulation von Fahrzeugkomponenten und -strukturen

• Topologie- und Strukturoptimierung

• Fügetechnologien

• Prototypendarstellung


Anhaltender Trend zu Materialmix im Transportwesen

Im allen Bereichen des Transportwesens wird Materialmischbauweise aus funktionalen, Kosten- oder Gewichtsgründen eingesetzt.

Besonders im Fahrzeugleichtbau gewinnt das Motto vom „richtigen Material am richtigen Platz“ weiterhin an Bedeutung – sowohl bei den heutigen Fahrzeugen mit immer weiter optimierten Verbrennungskraftmaschinen als auch bei den Konzepten und ersten Serienproduktion von Hybrid- und Elektro- Fahrzeugen.

Im Flugzeugbau kommt es ebenfalls zum Einsatz neuer Werkstoffe – sowohl in der Struktur, in den Antriebssystemen als auch in weiteren Bereichen zB im Interior.

Nach den Antworten auf werkstoff- und fertigungstechnische Fragestellungen kommt es im Zuge der Bauteilkonstruktion zu Herausforderungen hinsichtlich der Fügestellen der Einzelbauteile.

Anhaltender Trend zu Materialmix im Transportwesen

Beispiele von Werkstoff-Mischbauweisen aus verschiedenen Branchen

Bildquellen: Audi, BMW, Boeing, Flight International, MTU

8Hybridica, 9.11.2010 8

Innovative Fügeverfahren für Multimaterialsysteme

Beispiele innovativer Fügeverfahren für Leichtmetalle im Materialmix mittels:

Ko-Extrusion

Walzplattieren

Stanznieten

Blindnieten

Infiltration

Flammspritzen

Stoffschluss zu Metallschaum

Hybridguss

IGEL-Technologie (pins)

9Hybridica, 9.11.2010 9

Fügen durch Umformen

Mittels Warmwalzen (Walzplattieren), Strangpressen (Ko-Extrusion),

Stanznieten mit Halbhohlniet,

toleranz-toleranten Blindnieten

150

mm

150

mm

90

10Hybridica, 9.11.2010 10

Leichtmetall-Infiltration

Infiltration von lokaler Faserverstärkung oder offenporigen Graphit in Aluminium-oder Magnesium-Gussbauteilen sowie als Verbund-Beschußplatten

11Hybridica, 9.11.2010 11

Stoffschluss beim Metallschaum und technischen Textilien

Metallschaumanbindung an Profilen oder Verbindungselemente aus Stahl oder Aluminium

Gestaltung der Oberflächen von technischen Textileien hinsichtlich Verschleiß-, elektrischer oder rauhigkeits- Eigenschaften mittels Flammspritzen

12Hybridica, 9.11.2010 12

Hybridguss

…. in Kombination mit pins als Basis für einen Hinterschnitt (IGEL-Technologie).

13Hybridica, 9.11.2010 13

Metall-Faserverbund-Fügetechnik („IGEL-Technologie“)

Ziel: Herstellung einer haltbaren Verbindung zwischen einer metallischen und einem Kunststofffaserverbundstruktur

Verfahren: CMT-Schweissen von pins, danach Aufbringen der Fasermatten, dann übliche CFK-Prozeduren (zB RTM)

Schwierigkeit: Herstellung der pins in verschiedenen Geometrien und Werkstoffen; CTE mismatch

14Hybridica, 9.11.2010 14


1. Mittels speziell adaptierter Fronius-CMT-Technik können pins in verschiedenen Formen auf metallsubstraten aufgeschweißt werden.

Warmup and deposit

phase

Cooling

phase

Sculpturing

phase

15Hybridica, 9.11.2010 15


2. Oberflächenbehandlung

3. Aufbringen der Kohle- Glas- Fasermatten (trocken oder als prepregs)

4. Übliche CFK-Prozeduren (zB Autoklav, RTM, …)

“Pin bending & pull out”

Pin

s

16Hybridica, 9.11.2010 16


Unterschiedliche pin-Formen zeigen andere mechanische Last-Weg-Kurven und Versagensformen:

Kugelpins:

Zylinderpins:

Aufgabe der FEM: mechanische Modellierung der Verzerrungen von (thermo-) mechanisch belasteten Fügestellen

“Pin bending & fracture”

Komplexe FEM-Modelle wurden entwickelt, um die Entwicklung durch Berechnung des Versagen des Formschluss und der Klebeverbindung und Definition von günstigen pin-Anordnungen zu beschleunigen.

Beispiel: Nietverbindung in GLARE Source: P. Middendorf: Zukünftige Bedürfnisse der Luftfahrzeughersteller, Meeting Zukunft der Faserverbundwerkstoffe in der österreichischen Luftfahrtindustrie und -forschung, TU Wien, 01.12.2008

IGEL-Technologie - Virtual Testing

Pins

Source: S. Ucsnik, D.h. Pahr: „Experimental and Numerical

studies of a Hybrid Metal-Composite Joint“, Composites Part

A: Applied Science and Manufacturing, in process

Allg. FEM-Ansatz

Abbildung der mechanischen Charakteristika der wesentlichen Regionen (FVK, Metall, pin, Harzzone) und der Randbedingungen unter Nutzung sinnvoller Vereinfachungen

FEM-Ansatz für das Klebeschichtversagen

Kohäsivzonenmodelle werden durch Kalibrierung an DCB und ENF-Proben als wichtiger Bestandteil der FEM-Modellierung im streng-nichtlinearen Bereich genutzt, um das Versagen der Klebenaht und die Spannungsumlagerung auf die pins bis zum Versagen der Fügestelle abbilden zu können:

Mode I: GcI

Double-Cantilever-Beam (DCB) test

Mode II: GcII

End-Notch-Flexure (ENF) test

Source: S. Ucsnik, D.h. Pahr: „Experimental and Numerical studies

of a Hybrid Metal-Composite Joint“, Composites Part A: Applied

Science and Manufacturing, in process

Nutzen der FEM-Modellierung

▼ Erklärung von experimentellen Effekten

▼ Abschätzung des Verhaltens von neuen Proben und Demonstratoren

▼ Mechanische Auslegung von Prototypen und Bauteilen

▼ Optimierung von pin- Formen und pin- Feldern

Hybridica, 9.11.2010


Prototypen:

Ziel-

anwendungen:

24Hybridica, 9.11.2010 24

Danksagung

An dieser Stelle sei repräsentativ für die vielen Projekte, aus den die Beispiele zu diesem Vortrag stammen, den Industriepartnern und Fördergebern des Projekts Nr. 815867 gedankt.

25Hybridica, 9.11.2010 25

Zusammenfassung

Im Transportwesen führen verschiedene Treiber, vor allem

Verbrauchsreduzierung und Sicherheitsaspekte dazu,

dass neue Lösungen oft in Materialmischbauweise

gesucht werden.

Ein Schlüssel für die wirtschaftliche Umsetzung ist häufig

die Fügetechnik.

Verschiedene Lösungsansätze für die sichere und

effiziente Verbdingung konventioneller und neuartiger

Materialkombination wurden gezeigt.

Eine vielversprechende Option ist das Fügen von

Faserverstärktem Kunststoff und Metall mittels

aufgeschweißter Stifte (pins).

26

Mobilität im Wandel: Anforderungen an modernen Leichtbau und Leichtmetalle

Hochkarätige Vortragende

Plattform für die Zusammenarbeit von Wissenschaft und Industrie

Anregende Diskussionen im Kreis von WerkstoffexpertInnen

Podiumsdiskussion

6. Ranshofener Leichtmetalltage10./11. November in Bad Ischl, Österreich


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Rudolf Gradinger


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