SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design W. Flügge Dresden, den 15. September 2015 Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Agenda g Treiber für Leichtbau Mischbauweisen im Automobilbau SALZGITTER MANNESMANN Fügetechniken für Mischbauweise FORSCHUNG Beispiele für technologische Lösungen Fazit SZMF, ESAF, Foliie 2, Werkstoffwoche . Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Verbrauchsaufteilung g am Beispiel p Golf A6 1,4 , TSI SZMF, ESAF, Foliie 3, Werkstoffwoche SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Quelle: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift | Ausgabe 06/2010 Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Energieverbrauch g am Beispiel p Elektroauto Quelle: Friedrich und Hülsebusch 2012 SZMF, ESAF, Foliie 4, Werkstoffwoche SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Stand der Karosseriebauweisen SZMF, ESAF, Foliie 5, Werkstoffwoche SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Quelle: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift | Ausgabe 10/2008 Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Tradition der Mischbauweise SZMF, ESAF, Foliie 6, Werkstoffwoche SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Quelle: Ford Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Materialauswahl im Wandel der Zeit SZMF, ESAF, Foliie 7, Werkstoffwoche SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Quelle: Ashby, M.: materials selection in mechanical design 2005 Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Auswahlkriterien für automobiltypische yp Werkstoffe SZMF, ESAF, Foliie 8, Werkstoffwoche SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Quelle: Ashby, M.: materials selection in mechanical design 2005 Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Eigenschaften g für die Bewertung g der Werkstoffe Festigkeit Dichte Oberflächen Energieaufnahme Kosten Herstellbare Geometrien Technologien zur Bauteilerzeugung Eigenschaften mit Konsequenzen auf die Verarbeitung/Auslegung g g g Thermischer Beständigkeit SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Treibhausgasemissionen verschiedener hi d W Werkstoffe k t ff Abstand in der elektrochemischen Spannungsreihe Gültigkeit von zeitraffenden Labortests Verbindungstechnologie mit anderen Komponenten Wärmeausdehnungskoeffizienten Relaxationsverhalten SZMF, ESAF, Foliie 9, Werkstoffwoche Eigenschaften mit Relevanz für die Auswahl Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Definition Mischbauweise aus Sicht Fügetechnik g Mischbau auf Stahlbasis Automobiltypisches Stahlfeinblech Mischbau auf Metallbasis Mischbau auf Festkörperbasis Metallischer Überzug „Stahlbrille“ Metallschäume Austenitisches Gefüge Referenztechnolgie Punktschweißen SALZGITTER MANNESMANN Martensitisches FORSCHUNG Gefüge Organischer O i h Überzug Ferritsches Gefüge Stahlsandwichverbundbleche Metallsandwichverbundbleche Mischgefüge g g auf Ferritscher Basis Thermoplastische Kunststoffe Magnesiumblech Magnesiumguß Duroplastische Kunststoffe Aluminiumblech Aluminiumguß Glaswerkstoffe SZMF, ESAF, Foliie 10, Werkstoffwoche Holzwerkstoffe Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Füllhorn der Fügetechnologien g g Schweißen Kleben SZMF, ESAF, Foliie 11, Werkstoffwoche Mechanisches Fügen SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Fügetechnologien g g und Mischbauweise Automobiltypisches Stahlfeinblech Mischbau auf Stahlbasis Mischbau auf Metallbasis Mischbau auf Festkörperbasis Nicht sofort fest Oberflächensensitiv Komplexer Prozeß „Stahlbrille“ SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Etabliert Sofort fest Enges Prozessfenster Etabliert Sofort fest Zus. Fügeteil Sofort fest Zus Fügeteil Zus. Komplexer Prozeß SZMF, ESAF, Foliie 12, Werkstoffwoche Günstig Etabliert Sofort fest Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Schweißen p pressgehärteter g Bauteile Herausforderung: - Härteabfall in der Wärmeeinflusszone Bekannter Effekt bei konventionellen Güten Festigkeitsabfall bei modernen höchstfesten Stahlgüten Quelle: Dr.-Ing. J. Overrath, Thyssenkrupp Sofidit SAS, Dr. F.-J. Lenze, S. Sikora, ThyssenKrupp Steel Europe: „Aktuelle Entwicklung der Warmumformung im automobilen Fahrzeugbau“; SZMF, ESAF, Foliie 13, Werkstoffwoche SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Presshärten und Beschichtungen g • Passiver Verzunderungsschutz • Gute Lackhaftung g Werkstoffbeschichtung AlSi • Nur direkt verarbeitbar • Kein kathodischer Korrosionsschutz Quelle: SSAB Hardtech: Martensitbildung beim Presshärten • Sandstrahlen erforderlich • Starke Werkzeugverschmutzung • Werkstoff kostengünstig • Direkt und indirekt verarbeitbar Unbeschichteter Werkstoff • Verzunderungsschutz • Kathodischer Korrosionsschutz • Nur indirekt verarbeitbar • Aufwendiger Fertigungsprozess SZMF, ESAF, Foliie 14, Werkstoffwoche SALZGITTER Werkstoffbeschichtung Zn basiert MANNESMANN Zn-basiert FORSCHUNG Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Schweißen p pressgehärteter g Bauteile Herausforderung: - Härteabfall in der Wärmeeinflusszone Bekannter Effekt bei konventionellen Güten Festigkeitsabfall bei modernen höchstfesten Stahlgüten Lösung: Berücksichtigung des „Härtesack“ in Auslegung Nutzung der Kombination mit dem strukturellen Kleben SZMF, ESAF, Foliie 15, Werkstoffwoche SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Schweißen hochmanganhaltiger g g Stähle Herausforderung: - Verarbeitung von austenitischen Gefüge Physikalische Eigenschaften typischer Stahlgüten Wärmeausdehnungskoeffizient bei 500°C Wärmeleitfähigkeit bei RT [W/(m*K)] Erstarrungsintervall (schnelle Abkühlung) [°C] H340 X5CrNi 18 10 HSD600® 15 x 10-6 18 x 10-6 19 x 10-6 64 15 11 140 170 290 SALZGITTER Liquidustemperatur [[°C] C] 1530 1460 1377 MANNESMANN Keine Aufhärtung der Fügezone FORSCHUNG Heißrissneigung Erstarrungs Erstarrungsrichtung Schrumpfungsrichtung SZMF, ESAF, Foliie 16, Werkstoffwoche Restschmelze Quelle: DVS Fachbuchreihe Schweißtechnik Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design 1200 Vorteil 2: Hohe Dehnung HSD®-Stahl [MPa] 800 Vorteil 1: SALZGITTER MANNESMANN Dualphasenstahl FORSCHUNG 600 400 200 Hohe Festigkeit Weicher Tiefziehstahl 0 0 10 20 30 40 [%] Vorteil 3: R d i t Di Reduzierte Dichte ht (5%) iim V Vergleich l i h zu kkonventionellen ti ll Stähl Stählen durch hohen Al- und Si-Gehalt 60 Dehnung SZMF, ESAF, Foliie 17, Werkstoffwoche Spann nung HSD®-Stahl: Konstruktionsvorteile Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Schweißen hochmanganhaltiger g g Stähle Herausforderung: - Verarbeitung von austenitischen Gefüge Physikalische Eigenschaften typischer Stahlgüten Wärmeausdehnungskoeffizient bei 500°C Wärmeleitfähigkeit bei RT [W/(m*K)] Erstarrungsintervall (schnelle Abkühlung) [°C] H340 X5CrNi 18 10 HSD600® 15 x 10-6 18 x 10-6 19 x 10-6 64 15 11 140 170 290 SALZGITTER Liquidustemperatur [[°C] C] 1530 1460 1377 MANNESMANN Keine Aufhärtung der Fügezone FORSCHUNG Heißrissneigung Erstarrungs Erstarrungsrichtung Schrumpfungsrichtung SZMF, ESAF, Foliie 18, Werkstoffwoche Restschmelze Quelle: DVS Fachbuchreihe Schweißtechnik Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Wahl des entsprechenden p Schweißzusatz Werkstoffe WEZ – Ferrit Bainit HSD600® HX340 Blechdicke t = 1,5mm SG – Bainit SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Fügetechnologie Metallschutzgasschweißen Zusatz: 1.4370 Prüfverfahren Vickershärte HV 0,5 WEZ - Austenit Schweißstrom 97 A Spannung 16,7 V Schweißgeschw. 0,5 m/min Z Zusatz: t 1.4370 1 4370 36 3,6 m/min / i Gas: Argon 10 l/min Spalt 0,6 mm SZMF, ESAF, Foliie 19, Werkstoffwoche Schweißparameter Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Schweißen hochmanganhaltiger g g Stähle Herausforderung: - Verarbeitung von austenitischen Gefüge Physikalische Eigenschaften typischer Stahlgüten Wärmeausdehnungskoeffizient bei 500°C Wärmeleitfähigkeit bei RT [W/(m*K)] Erstarrungsintervall (schnelle Abkühlung) [°C] H340 X5CrNi 18 10 HSD600® 15 x 10-6 18 x 10-6 19 x 10-6 64 15 11 140 170 290 SALZGITTER Liquidustemperatur [[°C] C] 1530 1460 1377 MANNESMANN Keine Aufhärtung der Fügezone FORSCHUNG Heißrissneigung Erstarrungs Erstarrungsrichtung Schrumpfungsrichtung Lösung: - Einsatz von ausgewählten Schweißzusätzen zur Erzeugung eines kontinuierlichen Überganges - Konstruktive Berücksichtigung der Schrumpfungsbedingungen SZMF, ESAF, Foliie 20, Werkstoffwoche Restschmelze Quelle: DVS Fachbuchreihe Schweißtechnik Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Stahl-Aluminium-Schweißen Herausforderung: - Verarbeitung zwei unterschiedlichen Metallen Metalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten - FeAl-Phasen sind sehr spröde und brechen verformungslos SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Quelle: voestalpine SZMF, ESAF, Foliie 21, Werkstoffwoche Q ll voestalpine Quelle: t l i Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Stahl-Aluminium-Schweißen Herausforderung: - Verarbeitung zwei unterschiedlichen Metallen Metalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten - FeAl-Phasen sind sehr spröde und brechen verformungslos SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Quelle: voestalpine Lösung: - Nutzung einer Kombination aus Löten und Schweißen - Minimierung des Wärmeeintages durch CMT-Technologie Quelle: Fronius SZMF, ESAF, Foliie 22, Werkstoffwoche Q ll voestalpine Quelle: t l i Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix Herausforderung: - Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten im Werkstoffmix Freie Längenausdehnung α1 > α2 T = SALZGITTER T1 Behinderte Längenausdehnung α1 > α2 E1/ α1 E2/ α2 MANNESMANN FORSCHUNG T = T2 Gelpunkt T = T3 SZMF, ESAF, Foliie 23, Werkstoffwoche Temperaturverlauf im Bauteil während Klebstoffaushärtung (schematisch, z B z. B. nach EFB-Forschungsbericht Nr Nr. 180) Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Bestimmung des Verformungsverhaltens 3,5 3 2,5 2 1,5 1 05 0,5 0 -0,5 1 -1 1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5 Verformungen durch das Setzen der Fügeelemente F Fugenverformung f 2 G Gesamtverformung t f SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG 3 4 5 Verformungen durch Klebstoffaushärtung; 180 °C, 30 min 6 resultierende Verformung 50 Niet Die nietsetzprozess- und klebstoffaushärtungsbedingten Verformungen werden zur Probengesamtverformung kumuliert SZMF, ESAF, Foliie 24, Werkstoffwoche Verrformung [mm] Auswertung der Fugen- und Probengesamtverformung Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Thermische Ausdehnung im Werkstoffmix Herausforderung: - Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten im Werkstoffmix Freie Längenausdehnung α1 > α2 T = SALZGITTER T1 Behinderte Längenausdehnung α1 > α2 E1/ α1 E2/ α2 MANNESMANN FORSCHUNG T = T2 Gelpunkt T = T3 Lösung: - Konstruktive Integration von Freiheitsgraden für die Verformung - Integration der thermischen Gegebenheiten in Auslegung SZMF, ESAF, Foliie 25, Werkstoffwoche Temperaturverlauf im Bauteil während Klebstoffaushärtung (schematisch, z B z. B. nach EFB-Forschungsbericht Nr Nr. 180) Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Fügen g Materialhybrid y Stahl-Magnesium g Herausforderung: - Integration Magnesiumteil in Struktur - Rohbaufügetechnologien schaffen elektrischen Kontakt, der zu Korrosion führt. Beispiel Stirnwand SZMF, ESAF, Foliie 26, Werkstoffwoche SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Herstellung g Magnesiumbauteil g Beschnitt Pulverlackierung g Anbringen v. Funktionselementen SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG SZMF, ESAF, Foliie 27, Werkstoffwoche Umformung bei 200°C Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Fügen g Materialhybrid y Stahl-Magnesium g Herausforderung: - Integration Magnesiumteil in Struktur - Rohbaufügetechnologien schaffen elektrischen Kontakt, der zu Korrosion führt. Beispiel Stirnwand St-Querträger Stirnwand aussen SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG St-Querträger Sti Stirnwand d innen i Lochung für KunststoffSpreizniet Lösung: - Verlagerung des Fügeprozess in Montage - Nutzung von Kunststoffnieten als unterstützende Fügetechnik Kunststoffspreizniet SZMF, ESAF, Foliie 28, Werkstoffwoche Mg Stirnwand Mg-Stirnwand Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Fügen g Materialhybrid y Stahl-Kunststoff Herausforderung: - Schädigung FVK durch Fügetechnologie - Schlechte Klebeignung FVK-Oberflächen - Klaffung der Bauteile nach mech. Fügeprozess Adhäsion Beuteilklaffung SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG SZMF, ESAF, Foliie 29, Werkstoffwoche FKV-Schädigung Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Umsetzung g neuer Nietgeometrie g Werkstoffe CF-PA 66 Gewebe (2,0 mm) HC 340 LAD (1,5 mm) Maschinenparameter Fügegeschwindigkeit: g g g v = 45 mm/s SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG Prägekraft: F = 30 kN Vorspannkraft: 3 kN Abmessung (D x d): 12 x 6 Matrize Vorwettberbliche F&E finanziert durch: 4,2 / 6,0 / 0,8 / 0,3x59° Fase Stützring 0,3x16 SZMF, ESAF, Foliie 30, Werkstoffwoche Niederhalter Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Fügen g Materialhybrid y Stahl-Kunststoff Herausforderung: - Schädigung FVK durch Fügetechnologie - Schlechte Klebeignung FVK-oberflächen - Klaffung der Bauteile nach mech. Fügeprozess FKV-Schädigung Adhäsion Beuteilklaffung SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG 3500 3000 2000 HC340LA HC340LA mod. 1500 1000 AC 600 PX T6 AC-600 500 0 CF-PA 66 0° CF-EP 0° SZMF, ESAF, Foliie 31, Werkstoffwoche +25 % 2500 +69 % Lösung: - Nutzung Haftvermittler - Verwendung des Reservoirniet - Modifikation der Fügewerkzeuge Force at Failure Be eginning [N] 4000 Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Fazit Mischbauweise mit dem richtigem Werkstoff am richtigen Platz wird zunehmen. h Schlüssel zur Ausnutzung der Werkstoffe ist die Fügetechnik. Herausforderung für die Fügetechnik sind: Machbarkeit SALZGITTER MANNESMANN Tragfähigkeit FORSCHUNG Unterschiedliche Wärmeausdehnung Korrosion SZMF, ESAF, Foliie 32, Werkstoffwoche Großserientauglichkeit Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Der Glaube an die Unmöglichkeit g Der Glaube an die Unmöglichkeit des Vorhabens schützt die Berge zuverlässig davor, versetzt zu werden. … wir versuchen es trotzdem. SZMF, ESAF, Foliie 33, Werkstoffwoche SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG 33 Fügetechnische Herausforderungen beim Multi-Material-Design Was auch immer Sie vorhaben … Danke für Ihre Aufmerksamkeit! SZMF, ESAF, Foliie 34, Werkstoffwoche SALZGITTER MANNESMANN FORSCHUNG
© Copyright 2024 ExpyDoc
