Experimentelle Charakterisierung und Modellierung der mechanischen Eigenschaften von Punktschweißverbindungen für Leichtbau-Metall/Faser-Kunststoff-Verbunde

Prof. Dr.-Ing. Martin Maier, Dr.-Ing. Ulrich Huber

Bearbeitung: Dr.-Ing. Sebastian Schmeer (Promotion 2009)

Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) GmbH

Zusammenfassung
Innerhalb dieses Forschungsvorhabens werden innovative Schweißmethoden entwickelt. Damit solche Verbindungen auch in den weit verbreiteten FE-Simulationen zur Bauteildimensionierung effektiv dargestellt werden können, ist die Entwicklung von Materialmodellen erforderlich. Die induktions- und ultraschallgeschweißten Punktverbindungen zwischen Metallen und FVK wurden bisher weder ausreichend untersucht noch wurden Materialmodelle entwickelt, die solche Verbindungen erfolgreich simulieren können. Deshalb ist das Endziel dieses Teilprojektes die Entwicklung eines makromechanischen Materialmodells für solche Punktverbindungen. Weil hierbei nicht auf vorhandene Forschungsergebnisse oder veröffentlichte Untersuchungsdaten zurückgegriffen werden kann, muss in diesem ersten Antragszeitraums zunächst eine ausreichende Datenbasis geschaffen werden. Deshalb werden umfangreiche Versuche durchgeführt, die eine Materialcharakterisierung auch unter Temperatur- und Dehnrateneinfluss ermöglichen. Zusätzlich wird die parallel durchgeführte Finite-Elemente-Simulation dieser Versuche einen Aufschluss über den in der Fügezone herrschenden Spannungszustand geben, der in Versuchen nicht gemessen werden kann. Zur Untersuchung des Spannungszustandes ist die Entwicklung eines mikromechanischen Modells jeweils für induktions- und ultraschallpunktgeschweißte Verbindungen erforderlich. Die Simulation der Versuche kann außerdem zur Verbesserung der Schweißmethoden genutzt werden.

Stand der Forschung
Zum Einsatz von Leichtbauwerkstoffen ist es unbedingt erforderlich, eine leistungsfähige Verbindungstechnik zur Verfügung zu haben [1,11]. Die Projektgruppen 1 und 2 der Forschergruppe entwickeln in ihren Projekten zwei etablierte Schweißverfahren - das Induktions- und das Ultraschallschweißen [5,11] - weiter, so dass diese zur Herstellung von Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden genutzt werden können. Hierbei wird ein besonderer Fokus auf die Entwicklung von diskontinuierlichen Schweißverbindungen gelegt.
Um nun ein solches adaptiertes Verfahren zum Einsatz zu bringen, ist es in der heutigen Zeit notwendig, die dazugehörigen Simulationswerkzeuge mitzuliefern, so dass der Anwender den Einsatz im "Virtuellen Labor" prüfen [2,4] und in der Entwicklung von Prototypen schnellere und preiswertere Lösungen erzielen kann [10]. Zur Anwendung der Simulation ist ein Materialmodell erforderlich [13], welches das mechanische Verhalten der Verbindung mit Hilfe der Methode der finiten Elemente abbildet. Dieses Materialmodell erfordert zum einen die Berücksichtigung der beeinflussenden Parameter wie Temperatur, Dehnrate oder Feuchte, muss aber auch dem Benutzer eine Kalibrierung mit vertretbarem Aufwand (wirtschaftliche Werkstoffprüfung) erlauben [12,13].
Zur Modellierung des Materialverhaltens muss das abzubildende Verhalten experimentell untersucht werden. Aufgrund der Analogie zu geklebten Verbindungen werden die in der Klebetechnik üblichen Prüfmethoden angewandt [3,15]. Die Art des Fertigungsverfahrens macht es erforderlich, bei der Berechnung der Spannungsverteilung innerhalb der Verbindungszone [14] die temperaturbedingten Eigenspannungen mit zu berücksichtigen. Diese entstehen durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Fügepartner und können durch mikromechanische Modelle abgeschätzt werden. Insbesondere in der Modellierung von Schaumstoffen hat die Anwendung solcher Modelle zu Fortschritten geführt [8,9], aber auch in anderen Bereichen werden mikromechanische Modelle angewandt [6,7].

Eigene Vorarbeiten und Ziele
Der Antragsteller hat sich intensiv mit dem Energieabsorptionsverhalten von -Kunststoff-Verbunden beschäftigt. Neben umfangreichen experimentellen Untersuchungen auf einer eigens hierfür konstruierten horizontalen Crashanlage wurden zwei Materialmodelle entwickelt, die das Crash- und Energieabsorptionsverhalten von Faser­Kunststoff-Verbunden beschreiben. In Weiterführung dieser Arbeiten hat der Antragsteller das Crash- und Energieabsorptionsverhalten von gestrickeverstärkten Thermoplasten untersucht. Die experimentellen Ergebnisse dienten zur Entwicklung eines speziell für gestrickeverstärkte Thermoplaste geeigneten Materialmodells für die Crashsimulation [16]. Parallel dazu war der Antragsteller Projektpartner in dem Brite-EURAM Projekt "EAMLIFe", welches die Untersuchung der Eigenschaften und Anwendungspotentiale von Aluminiumschaum, Aluminiumwaben und Polymerschäumen zum Ziel hatte. Der Antragsteller befasst sich aktuell auch in zwei DFG-Projekten und einem BMFT-Projekt intensiv mit der Untersuchung und Modellierung von Schäumen und verfügt somit über umfangreiche Erfahrungen in der Modellierung von Leichtbauwerkstoffen.

Literatur (gekürzt)

[1] Reinhart, G.; Mosandl, T.; Gartner, J.: Fügetechnologien für Mischverbindungen. Werkstatttechnik. 9-2000, Seite 354-358

[2] Haldenwanger, H. G. u. a.: Die Notwendigkeit der Computersimulation bei der Entwicklung von Kunststoffbauteilen. Proceedings ,Kunststoffe im Automobilbau'. Mannheim. VDI-Verlag. Düsseldorf (1995). S. 87-116

[3] Grüters, H.; Müller, C.H.: Zur Berechnung der Schubspannungen in Klebeverbindungen. Automobil-Industrie 2/80. Seite 65-67

[4] Hennemann, O.D.; Bischoff, J.; Peter, M.; Budde, L.: Joining technologies for lightweight constructions, Seite 879-885

[5] Handbook of Plastics Joining - A Practical Guide, Plastics Design Library, 1997, ISBN 1-884207-17-0

[6] D. Katzer, M. Sester, H. Vehoff. Mikromechanische Modelle für das kristallographische Wachstum kurzer Risse. DFG-Jahresabschlussbericht 2000

[7] www.gkss.de/Themen/W/WMS/DEUTSCH/STEGLICH2_DEU.HTM

[8] Längler F., Fremgen C.M., Maier M.: Die Modellierung von Schaumstrukturen, IVW Kolloquium, 11.-12. Oktober 2000', Kaiserslautern, IVW-Schriftenreihe, Band 4, S 149-153

[9] Denzer, R.; Möller, F.; Maier, M.: Modelling of the compression behavior of polypropylen foams, Polypropylen an A-Z Reference, Edited by J. Karger Kocsis, Kluwer Publishers, Dordrecht, ISBN 0 412 80200 7, pp. 497 - 502

[10] Michaeli, W.: Dimensionieren in Faserverbundkunststoffen: Einführung un d praktische Hilfen. München, Wien: Hanser 1994

[11] Neitzel, M.; Breuer, u.: Die Verarbeitungstechnik der Faser-Kunststoff-Verbunde. München, Wien: Hanser 1997

[12] Lutter F., Münckner M., Wanders M.: Rechnen bis zum Versagen. Technische Kunststoffe. 2002, 1, S. 62-65

[13] Schlimmer, M.: Zeitabhängiges mechanisches Werkstoffverhalten; Springer-Verlag Berlin 1984, ISBN 0-387- 13649-7

[14] Hahn, O.; Otto, G.; Kötting, G.: Berechnung der Beanspruchung in Metallklebverbindungen mit Klebschichten aus zwei Klebstoffen; Paderborn 1982

[15] Hahn, O.; Kötting, G.: Untersuchungen der Klebschichtmorphologie und der beanspruchungsabhängigen Deformations- und Versagensmechanismen in der Klebefuge von Metallklebverbindungen, Paderborn 1984

[16] Huismann R.S. Marc: Experimental and numerical investigations for the prediction of the crashworthiness of layerd quai-isotropic thermoplastic composites. Kaiserslautern: IVW-Schriftenreihe (Bd. 20) 2001

Eigene Veröffentlichungen sind durch eine fette Nummer hervorgehoben