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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
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Motivation – Fügen von Sandwichstrukturen
Vorstellung Forschungsprojekt PuVerSand
Zielsetzung & Lösungsansätze
Projektstruktur
Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume
Ausblick
> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz DLR.de • Folie 2
Agenda
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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.
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Anwendungen für tragende Sandwichstrukturen im Fahrzeugbau sind besonders in… • innovativen Straßenfahrzeugkonzepten
• Wohnmobilen
• Transportfahrzeugen …zu finden.
> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 4
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
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Laufzeit: Februar 2016 – bis Februar 2017
> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 5
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/
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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
> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 6
Zielsetzung
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> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 7
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
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> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 8
Projektstruktur Verknüpfung der Arbeitspakete
Herstellung
Sandwichmaterialien
Reibschweißelemente
generische Bauteile
geklemmtes/geklebtes Insert
Kunststoffschrauben
Elementebene
Verbund
Experimentelle Charakterisierung
Verbundproben
Scherzug
Kopfzug
Generisches Bauteil
Struktur
Elementprobe
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> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 9
Projektstruktur Verknüpfung der Arbeitspakete
Herstellung Numerische Simulation
Detailmodellierung
Ersatzmodellierung
Experimentelle Charakterisierung
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
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> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 10
Projektstruktur Verknüpfung der Arbeitspakete
Bewertung
Herstellung Numerische Simulation
Sandwichmaterialien
Reibschweißelemente
generische Bauteile
geklemmtes/geklebtes Insert
Kunststoffschrauben
Elementebene
Verbund
Struktur
Detailmodellierung
Ersatzmodellierung
Simulationsmethodik
Klebprozessoptimierung
Auswahlstrategie
Experimentelle Charakterisierung
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Experimentelle Charakterisierung
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
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Verschraubungsversuche Bestimmung des optimalen Anziehdrehmoments MA Formel: MA = ME + k (MÜ – ME)[2] mit Sicherheitsfaktor k = 0,5 MA = 1,3 Nm
> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 12
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
> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz DLR.de • Folie 13
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
> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 14
Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Ergebnisse zum Direktverschrauben von PUR-Schaum
Max Min
Unterstützt von: Thomas Walter, Simon Brückmann (DLR-FK).
-
Kopfauszugversuche EPPsysD 10x30 in PET100
> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz DLR.de • Folie 15
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
Unterstützt von: Thomas Walter, Simon Brückmann (DLR-FK).
-
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
> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 16
Punktuelle Krafteinleitung in Polymerschäume Ergebnisse zum Direktverschrauben von PET-Schaum
Schraubenbruch
Unterstützt von: Thomas Walter, Simon Brückmann (DLR-FK).
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• 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
> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 17
Ausblick Punktförmiges Verbinden von Sandwichstrukturen
Bildquelle: EJOT Bildquelle: SECAM
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Carmen Scholz M.Sc., Projektleiterin PuVerSand Carmen.Scholz@dlr.de, Tel.: +49 711 6862-591 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Institut für Fahrzeugkonzepte – Leichtbau und Hybridbauweisen www.dlr.de/fk/
> 3. Technologietag Hybrider Leichtbau > Innovative Fügekonzepte für die punktuelle Krafteinleitung in Sandwichstrukturwerkstoffe > Carmen Scholz Folie 18
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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