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 Mischbauweise stellt eine Möglichkeit dar, insbesondere im Automobilbau, aber auch in anderen Industriezweigen Leichtbau zu betreiben. Dazu werden verschiedenartige Werkstoffe miteinander kombiniert. Vorzugsweise handelt es sich um Kombinationen aus faserverstärkten Kunststoffen und Leichtmetallen. Nach dem Motto “Der richtige Werkstoff am richtigen Ort” können so belastbare und gleichzeitig leichte Konstruktionen realisiert werden. Eine große Herausforderung besteht dabei jedoch im Fügen solch unterschiedlicher Werkstoffe. Aufgrund großer Unterschiede in Bindungsart und Schmelztemperatur sind klassische Fügeverfahren nicht anwendbar. Zum Verbinden von Metallen mit Faser- Verbund-Werkstoffen (FKV) wurden deswegen vorhandene Technologien adaptiert oder neue entwickelt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde mit dem modifizierten Blindnieten ein neuer Lösungsansatz entwickelt, der sowohl mechanische als auch thermische Fügeverfahren miteinander kombiniert. Dazu wird ein rotierender Blindniet in sich überlappende Bleche getrieben und das darunter liegende Material unter Ausbildung einer Hülse aus dem Oberblech verdrängt. Anschließend wird der Niet ausgeformt und der Prozess ist abgeschlossen. Durch die Reibwärme wird die thermoplastische Matrix des FKV geschmolzen und die Fasern werden beweglich und können verdrängt werden. Dadurch kommt es zu einer geringeren Faserschädigungen und es können Delaminationen komplett vermieden werden. Untersuchungen wurden vorzugsweise an Materialkombinationen in Mischbauweise durchgeführt. Es wurden Aluminium- und Magnesiumbleche mit verschiedenen FKV mit Glas- oder Kohlefaserverstärkung gefügt. Für eine große Anwendungsbreite wurden ebenso Verbindungen von mehreren Metallblechen untersucht. Alle Kombinationen konnten so gefügt werden, dass in relativ kurzer Prozesszeit eine qualitativ hochwertige Verbindung entsteht. Mit einer geeigneten Parameterwahl sind Fügezeiten unter drei Sekunden möglich. Die mechanisch technologischen Gütewerten zeigen, dass mittels modifiziertem Blindnieten hergestellte Verbindungen mindestens die gleiche Lasten aufnehmen können, wie konventionelle Verfahren. Unter Scherbelastung kann die Belastbarkeit um bis zu 68 % gesteigert werden. Es hat sich gezeigt, dass mit dem neuen Verfahren eine wirtschaftliche Lösung für den Mischbau zur Verfügung steht. / Composite constructions provide an opportunity to introduce lightweight design in automotive and other industries. Therefore different kind of materials are combined. Preferably, these are combinations of fibre reinforced plastics and lightweight metal alloys. With the slogan "the right material at the right place" tough and lightweight constructions can be realized. A big challenge the joining of these different materials. Because of big differences in the chemical bindings and in the melting temperature, conventional joining methods cannot be used. To join fibre reinforced plastics (FRP) existing processes were adapted or newly developed. In the course of this work with the modified blind riveting a new approach was developed, which combines mechanical and thermal joining processes. Therefore a rotating blind rivet is penetrated through two overlapping sheets by deforming the sheet material. After that the rivet is set and the process finished. Because of the friction heat the thermoplastic matrix of the FRP is slightly melted and the fibres can be moved without breaking them. Investigations were done mainly with lightweight material combinations. Sheets made out of aluminum and magnesium were joined with glass or carbon fibre reinforced plastic sheets. For a wider application field also combinations of two metal sheets were investigated. All combinations could be joined in a relatively short cycle time and high quality. So it is possible to reach a joining time of under 3 seconds. Under shear load the strength of joints made by modified blind riveting can be up to 68 % higher than conventional riveted joints. It has been shown that the new process can be exploited economically.

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.

Die Mischbauweise stellt eine Möglichkeit dar, insbesondere im Automobilbau, aber auch in anderen Industriezweigen Leichtbau zu betreiben. Dazu werden verschiedenartige Werkstoffe miteinander kombiniert. Vorzugsweise handelt es sich um Kombinationen aus faserverstärkten Kunststoffen und Leichtmetallen. Nach dem Motto “Der richtige Werkstoff am richtigen Ort” können so belastbare und gleichzeitig leichte Konstruktionen realisiert werden. Eine große Herausforderung besteht dabei jedoch im Fügen solch unterschiedlicher Werkstoffe. Aufgrund großer Unterschiede in Bindungsart und Schmelztemperatur sind klassische Fügeverfahren nicht anwendbar. Zum Verbinden von Metallen mit Faser- Verbund-Werkstoffen (FKV) wurden deswegen vorhandene Technologien adaptiert oder neue entwickelt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde mit dem modifizierten Blindnieten ein neuer Lösungsansatz entwickelt, der sowohl mechanische als auch thermische Fügeverfahren miteinander kombiniert. Dazu wird ein rotierender Blindniet in sich überlappende Bleche getrieben und das darunter liegende Material unter Ausbildung einer Hülse aus dem Oberblech verdrängt. Anschließend wird der Niet ausgeformt und der Prozess ist abgeschlossen. Durch die Reibwärme wird die thermoplastische Matrix des FKV geschmolzen und die Fasern werden beweglich und können verdrängt werden. Dadurch kommt es zu einer geringeren Faserschädigungen und es können Delaminationen komplett vermieden werden. Untersuchungen wurden vorzugsweise an Materialkombinationen in Mischbauweise durchgeführt. Es wurden Aluminium- und Magnesiumbleche mit verschiedenen FKV mit Glas- oder Kohlefaserverstärkung gefügt. Für eine große Anwendungsbreite wurden ebenso Verbindungen von mehreren Metallblechen untersucht. Alle Kombinationen konnten so gefügt werden, dass in relativ kurzer Prozesszeit eine qualitativ hochwertige Verbindung entsteht. Mit einer geeigneten Parameterwahl sind Fügezeiten unter drei Sekunden möglich. Die mechanisch technologischen Gütewerten zeigen, dass mittels modifiziertem Blindnieten hergestellte Verbindungen mindestens die gleiche Lasten aufnehmen können, wie konventionelle Verfahren. Unter Scherbelastung kann die Belastbarkeit um bis zu 68 % gesteigert werden. Es hat sich gezeigt, dass mit dem neuen Verfahren eine wirtschaftliche Lösung für den Mischbau zur Verfügung steht. / Composite constructions provide an opportunity to introduce lightweight design in automotive and other industries. Therefore different kind of materials are combined. Preferably, these are combinations of fibre reinforced plastics and lightweight metal alloys. With the slogan 'the right material at the right place' tough and lightweight constructions can be realized. A big challenge the joining of these different materials. Because of big differences in the chemical bindings and in the melting temperature, conventional joining methods cannot be used. To join fibre reinforced plastics (FRP) existing processes were adapted or newly developed. In the course of this work with the modified blind riveting a new approach was developed, which combines mechanical and thermal joining processes. Therefore a rotating blind rivet is penetrated through two overlapping sheets by deforming the sheet material. After that the rivet is set and the process finished. Because of the friction heat the thermoplastic matrix of the FRP is slightly melted and the fibres can be moved without breaking them. Investigations were done mainly with lightweight material combinations. Sheets made out of aluminum and magnesium were joined with glass or carbon fibre reinforced plastic sheets. For a wider application field also combinations of two metal sheets were investigated. All combinations could be joined in a relatively short cycle time and high quality. So it is possible to reach a joining time of under 3 seconds. Under shear load the strength of joints made by modified blind riveting can be up to 68 % higher than conventional riveted joints. It has been shown that the new process can be exploited economically.

Die Auswahl einer zweckmäßigen Verbindungstechnik hat großen Einfluss auf die Kosten für die Herstellung und Wartung von Gütern. Das mechanische Verbinden von Bauteilen mit Schließringbolzen gehört zum umformtechnischen Fügen. Damit werden kostengünstig unlösbare und mechanisch hoch beanspruchbare, punktförmige Verbindungen erzeugt. Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, in umfassender Form den Nachweis zu erbringen, dass mit Schließringbolzensystemen ohne Sollbruchstelle wartungsfreie Verbindungen hergestellt werden können. Diese Wartungsfreiheit bezieht sich auf den Erhalt der mechanischen Eigenschaften der Verbindung und des Korrosionsschutzes bis zur beabsichtigten Grenznutzungsdauer. Aus einer Analyse des Standes der Technik wurde der Forschungsbedarf hinsichtlich der Wartungsfreiheit von Schließringbolzenverbindungen aus mechanischer und korrosiver Sicht abgeleitet. In einem mehrstufigen Prüfprogramm, unterteilt nach Anwendungen im Nutzfahrzeugbau und Stahlbau, wurde nach maschinenbaulichen und stahlbaulichen Konzepten die mechanische Leistungsfähigkeit der Verbindungen untersucht. Die Forschungsergebnisse aus diesem Programm und der Test neu entwickelter Beschichtungssysteme für die Bolzen und die Schließringe bestätigten die Eingangsthese über die Wartungsfreiheit. Metallografische Analysen und FEM Rechnungen ergänzen die Arbeit. Sie ist in sechs Abschnitte unterteilt und enthält 135 Abbildungen, 25 Tabellen, 3 Anlagen. Es wurden 118 Literaturquellen berücksichtigt. Mit der Arbeit steht dem Ingenieur ein umfangreiches Auskunftsmaterial zum Vergleich von Schließringbolzenverbindungen mit anderen Fügeverfahren, besonders jedoch zur Verschraubung zur Verfügung. Die durchgeführten Untersuchungen und Aussagen sollten in zukünftiger Forschung zu einem ganzheitlichen Konzept für die rechnerische Auslegung und Dimensionierung von Schließringbolzenverbindungen nach dem Vorbild der VDI 2230 und der EN 1993 weitergeführt werden.

Im Vertrag wird die numerische Verfahrensentwicklung des Flach-Clinchklebens präsentiert. Schwerpunkte bilden hierbei die Bestimmung der Materialdaten und die anschließende Implementierung in das Simulationsmodell sowie die Modellierung des Prozesses. Es wird auf numerische Besonderheiten, wie die Kontaktabbildung zwischen den Blechen und der Klebstoffschicht sowie auf die Trennung der Klebstoffschicht und die damit verbundene Bildung von Klebstofftaschen, eingegangen. Weiterhin werden verschiedene Ansätze vorgestellt, um die Hinterschnittausbildung zwischen den Blechen zu ermöglichen und hierdurch die Handhabungsfestigkeit der Hybridverbindung zu gewährleisten. Abschließend erfolgen die experimentelle Validierung ausgewählter Verfahrensparameter sowie die Bestimmung der mechanischen Verbindungskennwerte.

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.

Die Auswahl einer zweckmäßigen Verbindungstechnik hat großen Einfluss auf die Kosten für die Herstellung und Wartung von Gütern. Das mechanische Verbinden von Bauteilen mit Schließringbolzen gehört zum umformtechnischen Fügen. Damit werden kostengünstig unlösbare und mechanisch hoch beanspruchbare, punktförmige Verbindungen erzeugt. Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, in umfassender Form den Nachweis zu erbringen, dass mit Schließringbolzensystemen ohne Sollbruchstelle wartungsfreie Verbindungen hergestellt werden können. Diese Wartungsfreiheit bezieht sich auf den Erhalt der mechanischen Eigenschaften der Verbindung und des Korrosionsschutzes bis zur beabsichtigten Grenznutzungsdauer. Aus einer Analyse des Standes der Technik wurde der Forschungsbedarf hinsichtlich der Wartungsfreiheit von Schließringbolzenverbindungen aus mechanischer und korrosiver Sicht abgeleitet. In einem mehrstufigen Prüfprogramm, unterteilt nach Anwendungen im Nutzfahrzeugbau und Stahlbau, wurde nach maschinenbaulichen und stahlbaulichen Konzepten die mechanische Leistungsfähigkeit der Verbindungen untersucht. Die Forschungsergebnisse aus diesem Programm und der Test neu entwickelter Beschichtungssysteme für die Bolzen und die Schließringe bestätigten die Eingangsthese über die Wartungsfreiheit. Metallografische Analysen und FEM Rechnungen ergänzen die Arbeit. Sie ist in sechs Abschnitte unterteilt und enthält 135 Abbildungen, 25 Tabellen, 3 Anlagen. Es wurden 118 Literaturquellen berücksichtigt. Mit der Arbeit steht dem Ingenieur ein umfangreiches Auskunftsmaterial zum Vergleich von Schließringbolzenverbindungen mit anderen Fügeverfahren, besonders jedoch zur Verschraubung zur Verfügung. Die durchgeführten Untersuchungen und Aussagen sollten in zukünftiger Forschung zu einem ganzheitlichen Konzept für die rechnerische Auslegung und Dimensionierung von Schließringbolzenverbindungen nach dem Vorbild der VDI 2230 und der EN 1993 weitergeführt werden.