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

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.

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.

Im vorliegenden Buch werden im ersten Teil bekannte aber auch ausgewählte neue Verfahren zum Fügen von Metallen mit Kunststoffen vorgestellt und miteinander verglichen. Im zweiten Teil werden verschiedene Berechnungsmöglichkeiten für die Auslegung bzw. die Nachweisführung von mechanisch gefügten Verbindungen vorgestellt. Hierbei handelt es sich ebenfalls um bekannte Konzepte als auch um neue Konzepte aus verschiedenen Forschungsvorhaben. Anhand der Aufbereitung dieser Konzepte in Algorithmen nach DIN 66001 und der Bereitstellung von Beispielen, welche sich auf die Algorithmen beziehen, sind diese einfach anwendbar und für die studentische Ausbildung gut geeignet.:1 Bekannte und neue Fügeverfahren im Leichtbau 1.1 Einleitung zum ersten Kapitel 1.2 Clinchen 1.3 Ultrasonic Fusion Bonding and Clinching 1.4 Clinching with a lost Ring 1.5 Blindnieten 1.6 Flow Drilling Riveting 1.7 Zusammenfassung 2 Auslegungsmöglichkeiten und Bemessungskonzepte 2.1 Einleitung zum zweiten Kapitel 2.2 Berechnung von Vollnietverbindungen nach DIN EN 1993-1-8 2.3 Berechnung von Blindnietverbindungen nach J. Grandt 2.4 Berechnung von Clinch-, Stanzniet- und Blindnietverbindungen der Grenznahtfestigkeit A Bruchkräfte von Blindnieten

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 vorliegenden Habilitationsschrift werden im ersten Teil bekannte aber auch ausgewählte neue Verfahren zum Fügen von Metallen mit Kunststoffen vorgestellt und miteinander verglichen. Im zweiten Teil werden verschiedene Berechnungsmöglichkeiten für die Auslegung bzw. die Nachweisführung von mechanisch gefügten Verbindungen vorgestellt. Hierbei handelt es sich ebenfalls um bekannte Konzepte als auch um neue Konzepte aus eigenen Forschungsvorhaben. Anhand der Aufbereitung dieser Konzepte in Algorithmen nach DIN 66001 und der Bereitstellung von Beispielen, welche sich auf die Algorithmen beziehen, sind diese einfach anwendbar und für die studentische Ausbildung gut geeignet.:1 Bekannte und neue Fügeverfahren im Leichtbau 1.1 Einleitung zum ersten Kapitel 1.2 Clinchen 1.3 Ultrasonic Fusion Bonding and Clinching 1.4 Clinching with a lost Ring 1.5 Blindnieten 1.6 Flow Drilling Riveting 1.7 Zusammenfassung 2 Auslegungsmöglichkeiten und Bemessungskonzepte 2.1 Einleitung zum zweiten Kapitel 2.2 Berechnung von Vollnietverbindungen nach DIN EN 1993-1-8 2.3 Berechnung von Blindnietverbindungen nach J. Grandt 2.4 Berechnung von Clinch-, Stanzniet- und Blindnietverbindungen nach der Grenznahtfestigkeit / In the first part of this habilitation thesis, known but also selected new processes for joining metals with plastics presented and compared. In the second part, various calculation options for the design and verification of mechanically joined connections are presented. These are also well-known concepts as well as new concepts from our own research projects. Based on the processing of these concepts in algorithms according to DIN 66001 and the provision of examples that refer to the algorithms, they are easy to use and well suited for student training.:1 Bekannte und neue Fügeverfahren im Leichtbau 1.1 Einleitung zum ersten Kapitel 1.2 Clinchen 1.3 Ultrasonic Fusion Bonding and Clinching 1.4 Clinching with a lost Ring 1.5 Blindnieten 1.6 Flow Drilling Riveting 1.7 Zusammenfassung 2 Auslegungsmöglichkeiten und Bemessungskonzepte 2.1 Einleitung zum zweiten Kapitel 2.2 Berechnung von Vollnietverbindungen nach DIN EN 1993-1-8 2.3 Berechnung von Blindnietverbindungen nach J. Grandt 2.4 Berechnung von Clinch-, Stanzniet- und Blindnietverbindungen nach der Grenznahtfestigkeit

The work carried out is based on the thesis properties of clinched joints are determined by the proportions of binding mechanisms form-closure, force-closure and material-closure. To describe the acting binding mechanisms and thus to derive the joint properties, detailed knowledge of the local effect of the individual binding mechanisms is necessary to ensure their targeted adjustment by the joining process. The targeted setting of different proportions of the binding mechanisms is achieved firstly via tool geometry and secondly via surface condition of the joined parts. An introduced form-closure component can be quantified by metallographic cross section with subsequent measurement of the quality-determining parameters such as undercut, penetration depth and neck thickness. To qualify the force-closure component, a torsional load can be applied mechanically at rotationally symmetrical clinch joints. This also allows the influence of different surface conditions on the tribological system to be quantified. Measurement of electrical resistance can reveal the binding mechanisms of force- and material-closure. These investigations are carried out on an aluminum joining part combination of the same type. As a result of these investigations, the clinched joints can be designed according to the load occurring in the later life cycle in the form of an optimum and compromise variant with regard to minimum loads to be transmitted mechanically, electrically with regard to low resistance or manufacturing with minimum energy input.