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Reliable line production processes and simulation tools play a central role for the structural integration of thermoplastic composites in advanced lightweight constructions. Provided that material-adapted joining technologies are available, they can be applied in heavy-duty multi-material designs (MMD). A load-adapted approach was implemented into the new fully automatic and faulttolerant thermo mechanical flow drill joining (FDJ) concept. With this method it is possible to manufacture reproducible high strength FRP/metal-joints within short cycle times and without use of extra joining elements for the first time. The analysis of FDJ joints requires a simplified model of the joint to enable efficient numerical simulations. The present work introduces a strategy in modeling a finite-element based analogous-approach for FDJ-joints with glass fiber reinforced polypropylene and high-strength steel. Combined with a newly developed section-force related failure criterion, it is possible to predict the fundamental failure behavior in multi-axial stress states. The functionality of the holistic approach is illustrated by a demonstrator that represents a part of a car body-in-white structure. The comparison of simulated and experimentally determined failure loads proves the applicability for several combined load cases.
The current trend shows an increasing demand for novel technologies, that facilitate a functional integration of fiber reinforced polymers (FRP) in metal based structures, especially in automotive industry. To comply with the requirements of large-scale production the use of fiber reinforced thermoplastics in form of hybrid metal/composite-laminates seems advantageous. By targeted exploitation of their high lightweight potential, combined with suitable capabilities for mass production and good damping properties, cost-effective and weight-optimized parts with high stiffness and load capacity can be provided for future applications.
As there is little known about the processing and the mechanical properties of thermoplastic based FRP/metal-laminates, the study focuses on the development of novel hybrid laminates with low residual stresses, made of metallic steel sheets and continuous glass or carbon fiber reinforced polyamide 6. In this context, the influence of several pre-operations like sand blasting, cleaning or primer application on the interlaminar shear strength (ILSS) was examined in addition to their resistance to cathodic dip paint treatment.
The development of a new joining technology, which is used to manufacture high strength hybrid constructions with thermoplastic composites (FRP) and metals, is introduced. Similar to natural regulation effects at trees, fibers around the FRP joint become aligned along the lines of force and will not be destroyed by the joining process. This is achieved by the local utilization of the specific plastic flow properties of the FRT and metal component. Compared with usual joining methods—such as flow drill screws, blind and self-piercing rivets—noticeably higher tensile properties can be realized through the novel process management. The load-bearing capability increasing effect could be proved on hybrid joints with hot-dip galvanized steel HX420LAD and orthotropic glass—as well as carbon—fiber reinforced plastics. The results, which were determined in tensile-shear and cross-shear tests according to DIN EN ISO 14273 and DIN EN ISO 14272, are compared with holding loads of established joining techniques with similar joining point diameter and material combinations.
Als Teil des DFG/AiF-Clusters „Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff / Metall-Verbunden“ erfolgte im AiF-Projekt 17688 BR/1 die methodische Entwicklung von großserientauglichen Bauweisenkonzepten für Hybridstrukturen aus thermoplastbasierten Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden (FK/M-Verbunden) im Fahrzeugbau sowie die Erarbeitung von belastungsgerechten Krafteinlei-tungsbereichen zur Integration der neuartigen Bauteile in metallische Strukturen. Die Pro-jektergebnisse wurden in Form von drei generischen Technologiedemonstratoren am Beispiel von hybriden Pkw-Dachquerträgern veranschaulicht. Dabei wurden zwei Demonstratoren aus FK/M-Verbunden mit Stahl- (HC220Y+ZE, t = 0,25 mm) bzw. Aluminiumdeckschichten (EN AW 5182, t = 0,2 mm) und ein Faser-Kunststoff-Verbund-Dachquerträger (Kohlenstofffaserverstärktes Polyamid 6) mit metallischen Lasteinleitungselementen (HC260LAD+Z100 bzw. AA5754-W, t = 1,0 mm) konzipiert.
Im Vergleich zu einer Referenzgeometrie in Stahlbauweise (t = 1,0 mm) konnte bei ver-gleichbaren Steifigkeitseigenschaften eine Masseeinsparung von bis zu 55% mit FK/M-Verbunden und etwa 64% in Faser-Kunststoff-Verbundbauweise prognostiziert werden. Die simulativ ermittelten Ergebnisse werden in Teilprojekt 5 des Clusters experimentell validiert.
Im Hinblick auf eine werkstoffgerechte Anbindung der stark anisotropen Bauteile an metallische Grundstrukturen wurden Untersuchungen zum Thermomechanischen Ausformfügeverfahren (TAF) und dem Kleben mittels 2K-Epoxid- und 2K-Polyurethanklebstoffen durchgeführt. Anders als bei etablierten Verfahren aus dem Metallbau, wie dem Nieten, Clinchen oder Schrauben, die auf spanend gebohrten Durchgangslöchern im Faser-Kunststoff-Verbund oder Fügeelementen mit Schneidanteil basieren, findet bei den untersuchten Verfahren keine Schädigung der Faserstruktur statt.
Die Ergebnisse aus Kopf- und Scherzugversuchen nach DIN EN ISO 14272 und DIN EN ISO 14273 zeigen eine prinzipielle Eignung des TAF-Verfahrens, sowohl für die Verbindung von FK/M-Hybridlaminaten, als auch FKV mit Metall. In Zugscherprüfungen nach DIN EN 1465 wurde der Einfluss verschiedener Vorbehandlungsmaßnahmen auf die Haftfestigkeit der geklebten Zugscherproben ermittelt. Dabei erwies sich insbesondere die Kombination aus Korundstrahlen und Beflammen mittels Flammenpyrolyse als zielführend.
Nach Ermittlung der benötigten Kennwerte wurde eine Simulations- und Auslegungsstrategie für kraftflussgerechte Fügepunkte am Beispiel von thermomechanisch gefügten Verbindungen vorgestellt. Aufgrund der anisotropiespezifischen, inhomogenen dreidimensionalen Spannungszustände in der Umgebung von FKV-Fügezonen wird eine schnittreaktionsbezogene Methodik zur Auslegung von FK/M-Fügezonen empfohlen. In Verbindung mit einer entsprechenden Versagenshypothese erlaubt diese auf Basis von einfachen Fügepunkt-Ersatzmodellen eine einfache ingenieurmäßige Analyse des Fügepunktversagens durch Auslesen der Schnittreaktionen.
Des Weiteren wurden in Zusammenarbeit mit TP5 zwei Prozessvarianten zur fertigungs-technischen Umsetzung der hybriden Dachquerträger aufgestellt. In ersten Vorversuchen konnte daran bereits die Herstellung erster Demonstratoren erfolgreich durchgeführt wer-den, die im Rahmen des 35. EFB-Kolloquiums am 25.03.2015 in Bad Boll sowie im EFB-Arbeitskreis Hybride Strukturen am 21.01.2015 in Dresden und 17.06.2015 in Rostock vorgestellt wurden.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Bauweisenkonzepte und Auslegung von Krafteinleitungsbereichen bei Hybridstrukturen aus Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden im Fahrzeugbau“ wurde im Rahmen des AiF/DFG-Clusters „Großserientaugliche Prozessketten für hochintegrierte Bauteile aus hybriden Faser-Kunststoff/Metall-Verbunden“ unter der Fördernummer AiF 17688BR/1 von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 417 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.