Forschung
© Fraunhofer LBF
21.01.2021

Schwingfestigkeit hybrid gefügter Materialverbindungen: hohes Leichtbaupotenzial

Schwingfestigkeit hybrid gefügter Materialverbindungen: hohes Leichtbaupotenzial

Zunehmend schärfere gesetzliche Emissionsgrenzwerte drängen die Automobilindustrie zu innovativen Leichtbaulösungen. In diesem Kontext gewinnt die Schwingfestigkeit von gefügten Feinblechverbindungen, insbesondere an Multimaterialverbindungen, an Bedeutung. Im Rahmen des von der EU geförderten Forschungsprojektes „ALLIANCE“ hat der Automobilhersteller Opel Automobile GmbH zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF und dem Fachgebiet SAM der Technischen Universität Darmstadt innovative numerische Methoden auf Basis von Schwingfestigkeitsversuchen von Scherzug- und Schälzugproben zur Lebensdauerabschätzung für Multi-Material-Fügetechniken entwickelt. Die Validierung der Methode erfolgte durch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer LBF mit Schwingfestigkeitsversuche an bauteilähnlichen Tellerproben mit der Materialpaarung Stahl-Aluminium.

Der Einsatz bauteilähnlicher Tellerproben liefert praxisnahe Erkenntnisse über die Schwingfestigkeitseigenschaften von Strukturbauteilen, die sich in dieser Art nicht an den üblichen einfach überlappenden Standardproben ermitteln lassen. Die Schwingfestigkeitsversuche dienen als Grundlage zur Validierung von numerischen Methoden zur Lebensdauerabschätzung und ermöglichen Einblicke in real auftretende Schädigungsmechanismen. Erste Einblicke in die komplexe Welt der Schwingfestigkeit von hybrid gefügten Strukturbauteilen bieten nun die Versuchsergebnisse aus dem Fraunhofer LBF. „Das Potenzial dieses Fügeverfahrens, insbesondere für zukünftige Leichtbaukonzepte der Automobilindustrie, ist vielversprechend. Um es voll ausschöpfen zu können und für eine industrielle Anwendung zu nutzen, ist es jedoch zwingend erforderlich, Fertigungsprozesse weiter zu optimieren“, betont Dr. Jörg Baumgartner, der das Forschungsprojekt am Fraunhofer LBF betreut.

Schwingfestigkeitseigenschaften möglichst praxisnah untersucht

Bei der Tellerprobe wird ein tiefgezogener Napf im Bereich des umgeformten Flansches mit einer fest eingespannten ebenen Grundplatte verbunden. Der große Vorteil: Sowohl Kräfte als auch Momente lassen sich im Versuchsaufbau in beliebiger Richtung in den Napf einleiten und so ein definierter Beanspruchungszustand als Kombination aus Scherzug und Schälzug einstellen. Somit ermöglicht diese Probenform, die Schwingfestigkeitseigenschaften struktureller Bauteile möglichst praxisnah und dennoch im Labormaßstab untersuchen zu können.

Bauteilähnliche Napfprobe im CAD- und CAE-Modell. - © Fraunhofer LBF
Bauteilähnliche Napfprobe im CAD- und CAE-Modell. © Fraunhofer LBF

Um das Leichtbaupotenzial von Strukturbauteilen in Multi-Materialbauweise zu ermitteln, führten die Darmstädter Forschenden Schwingfestigkeitsversuche an geklebten, genieteten und hybrid gefügten Tellerproben durch. Dabei zeigten die geklebten Tellerproben deutlich höhere zyklische Beanspruchbarkeiten gegenüber den genieteten Tellerproben. Ähnliches war bei den Versuchsergebnissen der Scherzugproben zu sehen. Die hybriden Tellerproben zeigen jedoch, anders als bei den Scherzugproben, geringere zyklische Beanspruchbarkeiten gegenüber den geklebten Tellerproben.

„Einen der möglichen Gründe für dieses Verhalten vermuten wir in dem noch nicht optimierten hybriden Fertigungsprozess, wodurch eine unsachgemäße Verklebung beider Fügepartner resultiert. Dies lässt sich ebenfalls im Vergleich zwischen den untersuchten unterschiedlichen Chargen der hybriden Tellerproben erkennen“, erklärt Baumgartner. Als hilfreicher Ansatz zeigte sich eine zusätzliche Fixierung der Bleche beim Setzen der Niete. Hierdurch konnte das Aufklaffen der beiden Bleche während des Fügeprozesses reduziert und somit eine Erhöhung der Fügequalität und Steigerung der Schwingfestigkeit erzielt werden.

Beispielhafte Darstellung eines Steifigkeitsverlaufs in Korrelation mit thermoelastischer Spannungsanalyse. - © Fraunhofer LBF
Beispielhafte Darstellung eines Steifigkeitsverlaufs in Korrelation mit thermoelastischer Spannungsanalyse. © Fraunhofer LBF

Die vielversprechenden Ergebnisse des Alliance-Projektes betont auch Dr.-Ing. Boris Künkler, Manager CAE Methods, Expertise and Support (CMES) Opel/Vauxhall, Opel Automobile GmbH, Rüsselsheim: „Eines der Ziele im Projekt ALLIANCE war die Entwicklung einer anwendungsorientierten Simulationsmethode zur zuverlässigen Betriebsfestigkeitsbewertung geklebter und stanzgenieteter Blechverbindungen. Dabei waren die Testergebnisse der am Fraunhofer LBF entwickelten und geprüften Tellerproben zur Validierung der Methode bei kombinierten Belastungszuständen extrem hilfreich.“

Förderer und Partner

Zum Konsortium ALLIANCE (Affordable Lightweight Automobiles Alliance) haben sich die Automobilhersteller Daimler, Volkswagen, Fiat-Chrysler Forschungszentrum, Volvo, Opel und Toyota, die vier Zulieferer Thyssenkrupp, Novelis, Batz und Benteler sowie die Wissenschaftspartner Swerea, Inspire, Fraunhofer LBF, RWTH-IKA, KIT-IPEK, Universität Florenz, Bax & Company und Ricardo zusammengeschlossen. Die Initiative ALLIANCE wird von EUCAR und EARPA unterstützt. Sie wird gefördert durch European Union Horizon 2020.

(Quelle: Presseinformation des Fraunhofer Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF)

Schlagworte

AluminiumAutomobilindustrieFügetechnikKlebtechnikLeichtbauNietenSchwingfestigkeitStahl

Verwandte Artikel

Dipl.-Ing. Jens Jerzembeck, Geschäftsführer der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e. V. des DVS, eröffnet den INNOVATIONSTAG 2024.
DVS Group
19.04.2024

INNOVATIONSTAG 2024: Energiewende in der Fügetechnik

Die DVS Forschung und die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. haben am 10. und 11. April den Innovationstag 2024 veranstaltet. Rund 80 Teilnehmer erhielten...

Energiewende Forschung Fügetechnik
Mehr erfahren
Hauptsitz von Blackbird in Garching-Hochbrück (Großraum München).
19.04.2024

Laserschweißexperte stärkt Vertriebspower

Die Blackbird Robotersysteme GmbH schafft einen neuen Bereich zur Geschäftsfeldentwicklung. Benjamin Bopp die Leitung des Vertriebs übernommem, der bisherige Vertriebslei...

Automobilindustrie Elektromobilität Laserschweißen Laserstrahlschweißen Lasertechnologien Remote-Laserschweißen Remote-Laserstrahlschweißen Vertrieb
Mehr erfahren
15.04.2024

Großauftrag für KUKA: Mehr als 700 Roboter für Volkswagen in Spanien

KUKA und Volkswagen haben eine Rahmenvereinbarung über die Lieferung von mehr als 700 Robotern in diesem und den kommenden beiden Jahren geschlossen.

Automation Automobilindustrie Karosseriebau Robotik
Mehr erfahren
Joining Plastics
13.04.2024

8. Auflage der Ceresana-Marktstudie „Polyvinylchlorid (PVC)"

Das robuste PVC ist zwar nicht mehr der meistproduzierte Kunststoff der Welt, zählt aber neben Polyethylen und Polypropylen immer noch zu den meistverkauften Thermoplaste...

AI AM Analyse Bauindustrie ERP Faserverbundwerkstoffe GSI Kunststoff Leichtbau Polypropylen PVC Rohre Rohrleitungen Thermoplaste Thermoplasten TIG Verbundwerkstoffe Verpackungsindustrie
Mehr erfahren
11.04.2024

Verfügbarkeit von Kupfer langfristig gesichert

Für alle Anwender von Kupferwerkstoffen gibt es jetzt eine gute Nachricht: Die weltweiten Kupferreserven sind laut Angaben des United States Geological Survey (USGS) von...

Automobilindustrie Kupfer Kupferindustrie Kupferwerkstoffe Maschinenbau Wirtschaftsstandort Deutschland
Mehr erfahren