Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung ... · Quellen: [2] G.W. Ehrenstein,...

Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe

Carmen Scholz M.Sc. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Institut für Fahrzeugkonzepte – Leichtbau und Hybridbauweisen 3. Technologietag Hybrider Leichtbau 07.06.2016, Stuttgart

> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz DLR.de • Folie 1

Motivation – Fügen von Sandwichstrukturen

Vorstellung Forschungsprojekt PuVerSand

Zielsetzung & Lösungsansätze

Projektstruktur

Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume

Ausblick


Agenda

Nachteile bestehender Verbindungkonzepte:

• Hoher Montageaufwand

• Oft deutliche Gewichtssteigerung

• Fehlen von Material- und Versagensmodellen

> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 3

Motivation – Fügen von Sandwichstrukturen Punktförmig & Lösbar?

Fügetechniken für Sandwich-

strukturen

Mechanisches Fügen

Verschraubung Bolzen-/Nietenverbindung

Metallische Verbinder Harzversteifung

…

Stoffschlüssiges Fügen

Klebeverbindung Querkrafteinleiter Adhäsive Inserts

Eingeschäumte Einlegeteile …

Thermisches Fügen

Laserstrahlschweißen Löten

…

Leichtbaupotenzial von tragenden Sandwichstrukturen bekannt aber nur eingeschränkt nutzbar

Bildquelle: Composult Composite Consulting AB

Bildquelle: www.promobil.de Bildquelle: [1] Bildquelle: R&G Faserverbund-werkstoffe GmbH

Quelle: [1] A. Kempf „Entwicklung einer mechanischen Verbindungstechnik für Sandwichwerkstoffe“, Dissertation, 2004.

Anwendungen für tragende Sandwichstrukturen im Fahrzeugbau sind besonders in… • innovativen Straßenfahrzeugkonzepten

• Wohnmobilen

• Transportfahrzeugen …zu finden.


Motivation – Fügen von Sandwichstrukturen Anwendungsbeispiele

Next Generation Car Fahrzeugkonzept Safe Light Regional Vehicle in Sandwichbauweise Bildquelle: DLR-FK Projekt NGC

Wohnmobil – Hymermobil B-Klasse Bildquelle: HYMER

Laufzeit: Februar 2016 – bis Februar 2017


Vorstellung Forschungsprojekt PuVerSand „Entwicklung von Konzepten und Auslegungsstrategien zum punktförmigen Verbinden von innovativen, strukturell tragenden Sandwichstrukturen“

= Punktförmiges Verbinden von Sandwichstrukturen

Fördergeber

Unterstützung durch

Industriepartner

Forschungspartner

PuVerSand

Institut für Fahrzeugkonzepte

http://www.leichtbau-bw.de/

1. Entwicklung von Konzepten zum punktförmigen & lösbaren Verbindung von Sandwichstrukturen

2. Optimierung des Gesamtverbundsystems hinsichtlich Auslegung, Berechnung, Simulation und Applikationsprozess

3. Schaffung von Grundlagen für eine virtuelle Fügeelementauswahl und Bauteildimensionierung auf der Basis von Finiten Elemente Simulationen

4. Erarbeitung einer methodischen Auslegungs- und Prüfungsmethodik für tragende Sandwichstrukturen für vielen Einsatz- und Industriebereiche


Zielsetzung


Lösungsansätze Drei innovative Verbindungstechniken

stoffschlüssig

form-, kraft- & stoffschlüssig

form- & kraftschlüssig

1. Reibschweißelemente

3. geklemmtes / geklebtes Insert

2. Kunststoffschrauben

Fügen von Sandwichstrukturen

Art des Zusammenhalts

Decklagen aus Aluminium oder GFK

duroplastischer oder thermoplastischer

Polymerschaumkern unterschiedlicher Dichte

Setzen in einem Schritt − Bisher nur für thermo-

plastische Kunststoffe

Keine thermische Beeinflussung

− Geringer Lastübertrag

Krafteinleitung in beide Decklagen

− Aushärtezeit des Klebstoffs

Vorteil / Nachteil

Bildquelle: EJOT

Bildquelle: EJOT

Bildquelle: SECAM

Übertragung auf weitere Materialsysteme

Reduktion der Prozesszeiten

Auslegung für höhere Belastungen

Optimierung


Projektstruktur Verknüpfung der Arbeitspakete

Herstellung

Sandwichmaterialien

Reibschweißelemente

generische Bauteile

geklemmtes/geklebtes Insert

Kunststoffschrauben

Elementebene

Verbund

Experimentelle Charakterisierung

Verbundproben

Scherzug

Kopfzug

Generisches Bauteil

Struktur

Elementprobe



Herstellung Numerische Simulation

Detailmodellierung

Ersatzmodellierung


Bildquelle: M. Bier, S. Sommer: Experimentelle Untersuchung und Simulation des Crashverhaltens mechanisch gefügter Verbindungen, FOSTA P837 / AiF IGF 352ZBG

• Detailmodellierung • Aufbau von detaillierten FE-Modellen • Simulation der Versuche und Analyse der lokalen Dehnungs-,

Spannungsverteilung und auftretenden Bruchmechanismen Ableitung von festigkeitssteigernden Änderungen in geometrischer, mechanischer und werkstoffspezifischer Ausprägung der Verbindungselemente

• Ersatzmodellierung Auswertung erster numerischer Ansätze zur Beurteilung der Simulierbarkeit von mechanisch gefügten Sandwichwerkstoffen Bewertung der Übertragbarkeit des Verbindungs-Ersatzelements von Proben auf Bauteile d.h. von einfachen auf komplexere Belastungszustände



Bewertung

Herstellung Numerische Simulation

Sandwichmaterialien

Reibschweißelemente

generische Bauteile

geklemmtes/geklebtes Insert

Kunststoffschrauben

Elementebene

Verbund

Struktur

Detailmodellierung

Ersatzmodellierung

Simulationsmethodik

Klebprozessoptimierung

Auswahlstrategie



Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Versuchsdurchführung

DLR.de • Folie 11 > 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz

EJOT EPPsysD Maße: 15x25, 10x30, 15x32 mm

• Verschraubungsversuche Bestimmung des optimalen Anziehdrehmoments

• Kopfauszugversuche Prüfgeschwindigkeit 1,8 mm/min

Bestimmung der quasistatischen Verbindungsfestigkeit

Probenmaterial Polymerschäume unterschiedlicher Dichte

• Duroplast: PUR-Schaumstoff Polyurethan Dichte 50 bis 200 kg/m3 Zugfestigkeit 0,22 bis 1,15 MPa

• Thermoplast: PET-Schaumstoff Polyethylenterephthalat Dichte 60 bis 210 kg/m3 Zugfestigkeit 1,50 bis 3,00 MPa

Verbindungselemente Kunststoffschrauben mit verschiedenen Geometrien

Verschraubungsversuche Bestimmung des optimalen Anziehdrehmoments MA Formel: MA = ME + k (MÜ – ME)[2] mit Sicherheitsfaktor k = 0,5 MA = 1,3 Nm


Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Parameterdefinition

0

0,5

1

1,5

2

2,5

100 150 200 250 300 350 400 450 500

Dreh

mom

ent [

Nm

]

Zeit [ms]

Gewindeform-moment

Eindrehmoment ME aus Gewindeform- und

Reibmoment (Kopf liegt auf)

Beginn plastische Verformung

Überdrehmoment MÜ

Plastische Verformung

MA

Quellen: [2] G.W. Ehrenstein, G. Ahlers-Hestermann „Handbuch Kunststoff Verbindungstechnik“, München, Wien, Hanser, 2004.

Momentverlauf beim Einschrauben einer EPPsysD 10x30 in PET100 (= PET-Schaum mit einer Dichte von 100 kg/m3)

Kurz vor Überdrehmoment

Während plastischer Verformung

Kurz vor Beginn plastischer Verformung

Kopfauszugversuche EPPsysD 10x30 in PUR100


Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Ergebnisse zum Direktverschrauben von PUR-Schaum

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10

Stan

dard

kraf

t [N

]

Standardweg [mm]

Versuch 1

Versuch 2

Versuch 3

Versuch 4

Versuch 5

Unterstützt von: Thomas Walter, Simon Brückmann (DLR-FK).

0

200

400

600

800

1000

0 50 100 150 200

Kra

ftmax

imum

[N]

Dichte [kg/m³]

Kopfauszugskraft von EPPsysD 10x30 Schrauben über der Dichte von PUR-Schaum Anstieg der Verbindungsfestigkeit mit der Schaumdichte bis 200 kg/m3


Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Ergebnisse zum Direktverschrauben von PUR-Schaum

Max Min


Kopfauszugversuche EPPsysD 10x30 in PET100


Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Ergebnisse zum Direktverschrauben von PET-Schaum

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 1 2 3 4 5

Stan

dard

kraf

t [N

]

Standardweg [mm]

Versuch 1Versuch 2Versuch 3Versuch 4Versuch 5


Kopfauszugskraft von EPPsysD 10x30 Schrauben über der Dichte von PET-Schaum Linearer Anstieg der Verbindungsfestigkeit mit der Schaumdichte bis 150 kg/m3

0

200

400

600

800

1000

0 50 100 150 200

Kra

ftmax

imum

[N]

Dichte [kg/m³]

Max Min


Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Ergebnisse zum Direktverschrauben von PET-Schaum

Schraubenbruch


• Übertragung der Erkenntnisse zur punktuellen Krafteinleitung mittels Kunststoffschauben in Polymerschäume auf Sandwichmaterialien mit Schaumkern

• Vergleich der Ergebnisse mit den Verbindungskonzepten Reibschweißelemente sowie geklebtes & geklemmtes Insert

• Optimierung des Applikationsprozess für alle Fügeverfahren

• Ableitung von generischen Sandwichstrukturen zur Potenzialanalyse

• Aufbau von Simulationsmodellen auf Basis der experimentellen Charakterisierung Entwicklung einer branchenübergreifenden Auslegungsmethodik für tragende Sandwichstrukturen


Ausblick Punktförmiges Verbinden von Sandwichstrukturen

Bildquelle: EJOT Bildquelle: SECAM

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Carmen Scholz M.Sc., Projektleiterin PuVerSand [email protected], Tel.: +49 711 6862-591 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Institut für Fahrzeugkonzepte – Leichtbau und Hybridbauweisen www.dlr.de/fk/


Bildquelle: DLR-FK Kick-Off PuVerSand 14.03.2016

http://www.leichtbau-bw.de/

Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in SandwichstrukturwerkstoffeAgendaMotivation – Fügen von Sandwichstrukturen�Punktförmig & Lösbar?Motivation – Fügen von Sandwichstrukturen�AnwendungsbeispieleVorstellung Forschungsprojekt PuVerSand�„Entwicklung von Konzepten und Auslegungsstrategien zum punktförmigen Verbinden von innovativen, strukturell tragenden Sandwichstrukturen“ZielsetzungLösungsansätze�Drei innovative VerbindungstechnikenProjektstruktur�Verknüpfung der ArbeitspaketeProjektstruktur�Verknüpfung der ArbeitspaketeProjektstruktur�Verknüpfung der ArbeitspaketePunktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume�Versuchsdurchführung��Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume�ParameterdefinitionPunktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume�Ergebnisse zum Direktverschrauben von PUR-SchaumPunktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume�Ergebnisse zum Direktverschrauben von PUR-SchaumPunktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume�Ergebnisse zum Direktverschrauben von PET-SchaumPunktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume�Ergebnisse zum Direktverschrauben von PET-SchaumAusblick�Punktförmiges Verbinden von SandwichstrukturenVielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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