Laboruntersuchung zur Prozessstabilität beim Niet-Clinchen

Die Entwicklung des heutigen Karosseriebaus schreitet ständig voran. Widerstandspunktgeschweißte Stahlkarosserien stellen gegenwärtig noch immer den Standard in der Automobilindustrie dar. Die Weiterentwicklung zu hochfesten Stahlsorten ermöglicht eine erste Gewichtsreduzierung. Als das immer mehr an Bedeutung gewinnende Aluminium in diesem Bereich vordrang, blieb es nicht aus, sich mit neuen Materialpaarungen wie Aluminium-Aluminium (Al-Al) und im Mischbau Aluminium-Stahl (Al-St) auseinanderzusetzen. Durch die gestiegene Anforderung im Crashtest müssen auch diese neuen Karosserien immer höhere Festigkeitskennwerte und ein besseres Energieaufnahmevermögen erreichen. Für das Fügen der neuen Werkstoffkombinationen aus Al-Al, Al-St bzw. Aluminium mit hochfestem Stahl, soll die Prozessstabilität des in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnenden Nietclinchens, aufgezeigt werden. Diese Dissertation soll die Vorteile des Verfahrens Nietclinchen gegenüber herkömmlichen Fügeverfahren aufzeigen. Neue Version des Dokuments ergaenzt um Zusammenfassung und Anhang. / The development of the body in white constantly steps forward. Steel bodys joined by spot welding still are standard in the automobile industry. The advancement in the sector of high performance steel makes a reduction in weight possible. When aluminium was getting more important in this sector, it was necessary to think at new material matchings like aluminium-aluminium (Al-Al) and aluminium-steel (AL-St) in the mix construction. Because of rising requirements at crash tests, the bodys have to reach higher data for stability and energy absorption. For the joining process of new material combinations of Al-Al, Al-St and aluminium with high performance steel the operation rivet-clinching will become more important in the future. This dissertation takes a look at the process stability of the rivet-clinching and the advantages in comparison with other joining methods. New version of the document with summary and annex.

Laboruntersuchung zur Prozessstabilität beim Niet-Clinchen

Die Mechanische Fügetechnik hat durch den Trend der Mischbauweise sowie schlecht schweißgeeigneter Werkstoffe in den letzten Jahren einen erhöhten Stellenwert erlangt. Aus diesem Grund wird die Weiterentwicklung dieser Verfahrensgruppe stark vorangetrieben. Neben den bekannten Verfahren Blindnieten, Fließformschrauben oder Bördeln wird auch das Durchsetzfügen, welches als Clinchen bekannt ist, in seinen Anwendungsgebieten stetig erweitert. Prozessbedingt ist das Clinchen von schlanken Hohlprofilen nur stark eingeschränkt möglich. Die Verfahrenserweiterung des „Orbitalclinchens“ ermöglicht erstmals, schlanke Hohlprofile mittels Clinchens zu verbinden. In der experimentellen Prozessuntersuchung wurden Mischverbindungen aus Stahl- und Aluminiumrundrohren hergestellt. Weiterhin wurden mit einem nachgelagerten Wärmebehandlungsverfahren Rohrverbindungen aus dem Werkstoff 22MnB5 pressgehärtet. Infolge dessen konnte die Scherzugfestigkeit der Clinchpunkte um bis zu 25 % gesteigert werden.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Entwicklung des „Orbitalclinchens“ 4 Experimentelles 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung & Schlussfolgerungen 7 Literatur

In der blechverarbeitenden Industrie ist in den letzten Jahrzehnten der zunehmende Einsatz organisch bandbeschichteter Bleche zu verzeichnen. Diese so genannten Coil Coating-Werkstoffe werden derzeit vorwiegend im Baubereich für Fassaden und Innenausstattungen, für Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik sowie zunehmend in der Automobilindustrie eingesetzt. Neuerdings sind Coil Coating-Werkstoffe verfügbar, die aus vier Schichten bestehen und vor allem den ästhetischen Anforderungen der Automobilindustrie für den Außenhautbereich entsprechen. Sie sind eines von vielen Puzzleteilen zur Komplettierung des Gesamtbildes von zukünftigen modernen Fahrzeugkonzepten wie z.B. Modulbauweisen, weil sie die teure Stückbeschichtung bei der Produktion einsparen und somit durch Wegfall von Fertigungsstufen eine Kostenreduzierung erreicht werden kann. Beim Einsatz von neuen Coil Coating-Werkstoffen mit Schichtdicken bis 100 μm ist auf eine fertigungsgerechte Produktgestaltung zu achten. Die zum Fügen von Feinblechen etablierten thermischen Fügeverfahren sind aufgrund der Entstehung von Oberflächenschädigungen nicht anwendbar. Als ökonomische und technologische Fügealternative bietet sich hier das Durchsetzfügen oder Clinchen insbesondere mit der Unterstützung von Wirkmedien an. Jedoch bestehen erhebliche Kenntnisdefizite zum Clinchen organisch bandbeschichteter Feinbleche mit Gesamtschichtdicken größer als 30 μm. Handlungsbedarf resultiert aus den negativen Auswirkungen des Fügeprozesses auf die Beschichtungen und auf die qualitätsbestimmenden Eigenschaften der gefertigten Verbindung. Diese Arbeit soll einen Beitrag zur Erweiterung des Kenntnisstands für das schädigungsfreie Clinchen von organisch beschichteten Blechen leisten. Ziel ist es, ein Clinchverfahren zu entwickeln, das organisch endbeschichtetes Feinblech bei guter Verbindungsfestigkeit schädigungsfrei fügt. Hierzu sind folgende Punkte erarbeitet worden: -In einem ersten Schritt wurde der Stand der Technik zu Coil Coating-Werkstoffen und die Problemstellung beim Clinchen von vorbeschichteten Blechen. -Im nächsten Schritt sind als Ausgangssituation der Arbeit Referenzwerte zur Lackschädigung beim Clinchen von endlackierten Blechen mit konventionellen Clinchwerkzeugen erarbeitet worden. Es zeigt sich, dass mit konventionellen Clinchverfahren Verbindungen mit akzeptabler Festigkeit und guter ästhetischer Erscheinung nicht herstellbar sind. -Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden neue Ansätze zum schädigungsfreien Clinchen vorgestellt, die auf wirkmedienunterstützte Umformverfahren basieren. Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung von lokalen Dehnungen und der Reibung während des Clinchens sowie auf der Verbesserung des Werkstoffflusses durch die Minimierung des Werkzeug-Werkstoffkontaktes. Die vorgestellten Lösungsansätze zu Änderungen an der Werkzeuggeometrie und am Clinchverfahren selbst durch den Einsatz von elastischen und flüssigen Wirkmedien werden begleitend mit der Finite-Elemente-Simulation überprüft. -In weiteren praktischen Untersuchungen an einer neu entwickelten Versuchsanlage sind die numerischen Ergebnisse verifiziert worden. Das Clinchen mit flüssigen Wirkmedien zeigt sich dabei als ein gut geeignetes Verfahren zum Fügen mit akzeptabler und deutlich reduzierter Lackschädigung bei guter Verbindungsfestigkeit. -Die Kenntnis von Dehnungszuständen und deren Vergleich mit den sichtbaren Schädigungen auf den Oberflächen ermöglichen die Erschließung der Vorteile aus der Kombination von hydraulischer Tiefung und dem mechanischen Stauchen. In der vorliegenden Arbeit sind neue Lösungsansätze zum Clinchen von Coil Coating-Werkstoffen mit geringsten Oberflächenschädigungen unter Verwendung von Wirkmedien vorgestellt und erläutert worden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen eine Möglichkeit auf, Coil Coating-Werkstoffe schädigungsarm und prozesssicher zu fügen. Die Lösungsansätze und Erkenntnisse dieser Arbeit sollen die Generierung von neuen Perspektiven für die Anwendung von Coil Coating-Werkstoffen unterstützen. Das Ergebnis lässt erwarten, dass in Zukunft neue Schritte auf dem Weg zum Einsatz von endlackiertem getätigt werden können, weil ein sicheres und robustes Fügeverfahren für die Produktion zur Verfügung gestellt werden kann.

Die Entwicklung des heutigen Karosseriebaus schreitet ständig voran. Widerstandspunktgeschweißte Stahlkarosserien stellen gegenwärtig noch immer den Standard in der Automobilindustrie dar. Die Weiterentwicklung zu hochfesten Stahlsorten ermöglicht eine erste Gewichtsreduzierung. Als das immer mehr an Bedeutung gewinnende Aluminium in diesem Bereich vordrang, blieb es nicht aus, sich mit neuen Materialpaarungen wie Aluminium-Aluminium (Al-Al) und im Mischbau Aluminium-Stahl (Al-St) auseinanderzusetzen. Durch die gestiegene Anforderung im Crashtest müssen auch diese neuen Karosserien immer höhere Festigkeitskennwerte und ein besseres Energieaufnahmevermögen erreichen. Für das Fügen der neuen Werkstoffkombinationen aus Al-Al, Al-St bzw. Aluminium mit hochfestem Stahl, soll die Prozessstabilität des in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnenden Nietclinchens, aufgezeigt werden. Diese Dissertation soll die Vorteile des Verfahrens Nietclinchen gegenüber herkömmlichen Fügeverfahren aufzeigen. Neue Version des Dokuments ergaenzt um Zusammenfassung und Anhang. / The development of the body in white constantly steps forward. Steel bodys joined by spot welding still are standard in the automobile industry. The advancement in the sector of high performance steel makes a reduction in weight possible. When aluminium was getting more important in this sector, it was necessary to think at new material matchings like aluminium-aluminium (Al-Al) and aluminium-steel (AL-St) in the mix construction. Because of rising requirements at crash tests, the bodys have to reach higher data for stability and energy absorption. For the joining process of new material combinations of Al-Al, Al-St and aluminium with high performance steel the operation rivet-clinching will become more important in the future. This dissertation takes a look at the process stability of the rivet-clinching and the advantages in comparison with other joining methods. New version of the document with summary and annex.

Punktförmige Verbindungen, wie das Clinchen, bieten vorteilhafte Eigenschaften und werden in zunehmendem Maße in der Dünnblech verarbeitenden Industrie für metallische Verbindungen eingesetzt. Sie spielen gegenwärtig für Metall-Kunststoff-Verbindungen eine untergeordnete beziehungsweise gar keine Rolle. Dies ist wahrscheinlich der Tatsache geschuldet, dass Kunststoffe aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften ungeeignet für das Clinchen scheinen. In der vorliegenden Dissertation werden die Grundlagen für das Clinchen von Metall-Kunststoff-Verbindungen erarbeitet und qualifiziert, so dass es möglich ist, damit eine Verbindung dieser Werkstoffe reproduzierbar herzustellen. Im Speziellen werden Prozessmerkmale und mechanische Verbindungseigenschaften des Clinchens von Metall-Kunststoff-Verbindungen sowie der Feuchtigkeitseinfluss des Kunststofffügepartners und der Einfluss von Wärme vor und/oder nach dem Fügen untersucht. / Because of its advantageous properties there is an extended utilization of point-shaped joints, like the clinching, in the sheet processing industry for metal-metal joints. These joining technologies are not relevant for metal-thermoplastic joints currently. The main reason for this could be the fact that the clinching process seems not to be eligible for thermoplastic materials. In the present thesis the fundamentals for clinching metal to thermoplastics were worked out and qualified. The results allow creating reproducible joints out of these materials. Process features and mechanical properties of clinched metal-thermoplastic joints were investigated. Also the influence of moisture and heat input during and after the clinching process was in focus.

In der blechverarbeitenden Industrie ist in den letzten Jahrzehnten der zunehmende Einsatz organisch bandbeschichteter Bleche zu verzeichnen. Diese so genannten Coil Coating-Werkstoffe werden derzeit vorwiegend im Baubereich für Fassaden und Innenausstattungen, für Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik sowie zunehmend in der Automobilindustrie eingesetzt. Neuerdings sind Coil Coating-Werkstoffe verfügbar, die aus vier Schichten bestehen und vor allem den ästhetischen Anforderungen der Automobilindustrie für den Außenhautbereich entsprechen. Sie sind eines von vielen Puzzleteilen zur Komplettierung des Gesamtbildes von zukünftigen modernen Fahrzeugkonzepten wie z.B. Modulbauweisen, weil sie die teure Stückbeschichtung bei der Produktion einsparen und somit durch Wegfall von Fertigungsstufen eine Kostenreduzierung erreicht werden kann. Beim Einsatz von neuen Coil Coating-Werkstoffen mit Schichtdicken bis 100 μm ist auf eine fertigungsgerechte Produktgestaltung zu achten. Die zum Fügen von Feinblechen etablierten thermischen Fügeverfahren sind aufgrund der Entstehung von Oberflächenschädigungen nicht anwendbar. Als ökonomische und technologische Fügealternative bietet sich hier das Durchsetzfügen oder Clinchen insbesondere mit der Unterstützung von Wirkmedien an. Jedoch bestehen erhebliche Kenntnisdefizite zum Clinchen organisch bandbeschichteter Feinbleche mit Gesamtschichtdicken größer als 30 μm. Handlungsbedarf resultiert aus den negativen Auswirkungen des Fügeprozesses auf die Beschichtungen und auf die qualitätsbestimmenden Eigenschaften der gefertigten Verbindung. Diese Arbeit soll einen Beitrag zur Erweiterung des Kenntnisstands für das schädigungsfreie Clinchen von organisch beschichteten Blechen leisten. Ziel ist es, ein Clinchverfahren zu entwickeln, das organisch endbeschichtetes Feinblech bei guter Verbindungsfestigkeit schädigungsfrei fügt. Hierzu sind folgende Punkte erarbeitet worden: -In einem ersten Schritt wurde der Stand der Technik zu Coil Coating-Werkstoffen und die Problemstellung beim Clinchen von vorbeschichteten Blechen. -Im nächsten Schritt sind als Ausgangssituation der Arbeit Referenzwerte zur Lackschädigung beim Clinchen von endlackierten Blechen mit konventionellen Clinchwerkzeugen erarbeitet worden. Es zeigt sich, dass mit konventionellen Clinchverfahren Verbindungen mit akzeptabler Festigkeit und guter ästhetischer Erscheinung nicht herstellbar sind. -Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden neue Ansätze zum schädigungsfreien Clinchen vorgestellt, die auf wirkmedienunterstützte Umformverfahren basieren. Der Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung von lokalen Dehnungen und der Reibung während des Clinchens sowie auf der Verbesserung des Werkstoffflusses durch die Minimierung des Werkzeug-Werkstoffkontaktes. Die vorgestellten Lösungsansätze zu Änderungen an der Werkzeuggeometrie und am Clinchverfahren selbst durch den Einsatz von elastischen und flüssigen Wirkmedien werden begleitend mit der Finite-Elemente-Simulation überprüft. -In weiteren praktischen Untersuchungen an einer neu entwickelten Versuchsanlage sind die numerischen Ergebnisse verifiziert worden. Das Clinchen mit flüssigen Wirkmedien zeigt sich dabei als ein gut geeignetes Verfahren zum Fügen mit akzeptabler und deutlich reduzierter Lackschädigung bei guter Verbindungsfestigkeit. -Die Kenntnis von Dehnungszuständen und deren Vergleich mit den sichtbaren Schädigungen auf den Oberflächen ermöglichen die Erschließung der Vorteile aus der Kombination von hydraulischer Tiefung und dem mechanischen Stauchen. In der vorliegenden Arbeit sind neue Lösungsansätze zum Clinchen von Coil Coating-Werkstoffen mit geringsten Oberflächenschädigungen unter Verwendung von Wirkmedien vorgestellt und erläutert worden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen eine Möglichkeit auf, Coil Coating-Werkstoffe schädigungsarm und prozesssicher zu fügen. Die Lösungsansätze und Erkenntnisse dieser Arbeit sollen die Generierung von neuen Perspektiven für die Anwendung von Coil Coating-Werkstoffen unterstützen. Das Ergebnis lässt erwarten, dass in Zukunft neue Schritte auf dem Weg zum Einsatz von endlackiertem getätigt werden können, weil ein sicheres und robustes Fügeverfahren für die Produktion zur Verfügung gestellt werden kann.

Die Mechanische Fügetechnik hat durch den Trend der Mischbauweise sowie schlecht schweißgeeigneter Werkstoffe in den letzten Jahren einen erhöhten Stellenwert erlangt. Aus diesem Grund wird die Weiterentwicklung dieser Verfahrensgruppe stark vorangetrieben. Neben den bekannten Verfahren Blindnieten, Fließformschrauben oder Bördeln wird auch das Durchsetzfügen, welches als Clinchen bekannt ist, in seinen Anwendungsgebieten stetig erweitert. Prozessbedingt ist das Clinchen von schlanken Hohlprofilen nur stark eingeschränkt möglich. Die Verfahrenserweiterung des „Orbitalclinchens“ ermöglicht erstmals, schlanke Hohlprofile mittels Clinchens zu verbinden. In der experimentellen Prozessuntersuchung wurden Mischverbindungen aus Stahl- und Aluminiumrundrohren hergestellt. Weiterhin wurden mit einem nachgelagerten Wärmebehandlungsverfahren Rohrverbindungen aus dem Werkstoff 22MnB5 pressgehärtet. Infolge dessen konnte die Scherzugfestigkeit der Clinchpunkte um bis zu 25 % gesteigert werden. / Mechanical joining technology has gained in importance in recent years due to the trend towards mixing methods and materials, that are poorly suitable for welding. For this reason, the further development of this process group is in focus. In addition to the known methods of blind riveting, flow form screws or flanging, clinching is also constantly expanding in its areas of application. Due to the process, the clinching of slim hollow profiles is only possible to a very limited extent. The extension of the 'orbital clinching' process enables for the first time to connect slim hollow profiles by means of clinching. In the experimental process investigation, mixed connections, were made from steel and aluminum round pipes. In addition, pipe connections made of the material 22MnB5 were press-hardened using a subsequent heat treatment process. As a result, the tensile shear strength of the clinch points could be increased by up to 25 %.

Punktförmige Verbindungen, wie das Clinchen, bieten vorteilhafte Eigenschaften und werden in zunehmendem Maße in der Dünnblech verarbeitenden Industrie für metallische Verbindungen eingesetzt. Sie spielen gegenwärtig für Metall-Kunststoff-Verbindungen eine untergeordnete beziehungsweise gar keine Rolle. Dies ist wahrscheinlich der Tatsache geschuldet, dass Kunststoffe aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften ungeeignet für das Clinchen scheinen. In der vorliegenden Dissertation werden die Grundlagen für das Clinchen von Metall-Kunststoff-Verbindungen erarbeitet und qualifiziert, so dass es möglich ist, damit eine Verbindung dieser Werkstoffe reproduzierbar herzustellen. Im Speziellen werden Prozessmerkmale und mechanische Verbindungseigenschaften des Clinchens von Metall-Kunststoff-Verbindungen sowie der Feuchtigkeitseinfluss des Kunststofffügepartners und der Einfluss von Wärme vor und/oder nach dem Fügen untersucht. / Because of its advantageous properties there is an extended utilization of point-shaped joints, like the clinching, in the sheet processing industry for metal-metal joints. These joining technologies are not relevant for metal-thermoplastic joints currently. The main reason for this could be the fact that the clinching process seems not to be eligible for thermoplastic materials. In the present thesis the fundamentals for clinching metal to thermoplastics were worked out and qualified. The results allow creating reproducible joints out of these materials. Process features and mechanical properties of clinched metal-thermoplastic joints were investigated. Also the influence of moisture and heat input during and after the clinching process was in focus.