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Hybridfügen durch Fließlochformen Hybrid joining using the flow drill technology

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Abstract

Various processes with and without additional fasteners are currently used for the production of hybrid material connections. This leads to different requirements and problems when joining. A cohesive hybrid composite joint of fiber reinforced plastics (FRP) and metal by gluing requires, for example , complex pretreatment of the joining partners. With mechanical joining concepts, the joining elements usually destroy the load-bearing fibers locally and require access to the metal and FKV semi-finished products from both sides. In addition, there is a lot of effort in positioning accuracy. The new process principle, which was developed jointly by the Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology (IWU) and the Technical University of Braunschweig, represents an additional joining process for joining metal sheets with FRP, wood and plastic semi-finished products.

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FOREL wurde im Jahr 2013 auf Initiative der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE) als BMBF-Leuchtturmprojekt eingerichtet und ist eine national übergreifende, offene Plattform zur Entwicklung von Hightech-Leichtbausystemlösungen in Multi- Material-Design für E-Fahrzeuge der Zukunft. Partner von FOREL aus Industrie und Forschung profitieren vom „Know-how“ des FOREL-Netzwerks aus führenden Forschungs- und Entwicklungszentren für den funktionsintegrierten Systemleichtbau für die Elektromobilität. Zur Identifikation strategisch wichtiger Forschungsfelder wurden im Rahmen des FOREL-Koordinationsprojekts ausgewiesene Wirtschafts- und Wissenschaftsexperten auf dem Gebiet des Leichtbaus und der Elektromobilität aus verschiedenen Branchen befragt, um aktuelle Ansätze und Entwicklungen zu erfassen und Entwicklungsbedarfe aufzuzeigen. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Befragung wurden in dieser FOREL-Studie zusammengefasst.
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1 Einleitung Im Zuge der technologischen Entwicklung kommen zunehmend Leichtbaustrukturen, insbesondere auch solche aus hybriden Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden, zum Einsatz, die in vielen unter-schiedlichen Industriezweigen neue Möglichkeiten für innovative Produktentwicklungen erlauben. Hybride Leichtbaustrukturen aus Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden ermöglichen im Ingenieurwe-sen eine neue Generation von Produkten, beispielhaft seien Anwendungen in der Kraftfahrzeug-und Luftfahrtindustrie genannt. Durch die Entwicklung von Fügeverfahren, die Faser-Kunststoff-Verbunde und Leichtmetalle zu hybriden Bauteilen verbinden, können die spezifischen Nachteile der einzelnen Werkstoffgruppen gemindert und deren Vorteile zusammengeführt werden. Die DFG-Forschergruppe 524 "Herstellung, Eigenschaftsanalyse und Simulation geschweißter Leichtbau-strukturen aus Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden" widmet sich seit 2004 dieser Thematik und zielt dabei auf die grundlagenorientierte wissenschaftliche Untersuchung relevanter Haftungs-mechanismen in den Fügezonen Simulation des mechanischen Verhaltens der Verbindungen Untersuchung technologischer Aspekte der Herstellung Der Beitrag stellt erste Ergebnisse des Teilprojekts "Diskontinuierliches Induktionsschweißen von Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden" vor. 2 Adhäsion und Stand der Technik von Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden Bei der Fertigung von Metall-Polymer-Verbunden werden die Oberflächen der Fügepartner derart nahe zueinander gebracht, dass ein dauerhafter Zusammenhalt durch Stoffverbinden entsteht. Dabei laufen in der Grenzfläche der Fügepartner komplexe physikalische und chemische Vorgänge ab. Die Modelle zur Adhäsion berücksichtigen im Wesentlichen neben der mechanischen Adhäsion durch das Eindringen des Polymers in die Rauhigkeitstäler der Fügeteiloberfläche des metallischen Fügepartners zusätzlich physikalische, chemische und thermodynamische Mechanismen.
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Fibre reinfoced plastics (FRP) are increasingly used for the substitution of classical construction materials due to their high lightweighting potential. In addition to a high stiffness and strength, FRP enable the integration of functional elements without a post processing of the manufactured parts. Within the investigations of the Research Group 860, which is funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), two process chains for a high volume production of FRP structural parts with integrated functional elements are developed. Thereby, inserts can be integrated into the parts without any post processing steps.
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Faserverbunde mit thermoplastischer Matrix sind durch einen hohen Automatisierungsgrad und kurze Zykluszeiten bei der Verarbeitung prädestiniert für die effiziente Fertigung von Leichtbaustrukturen in der Großserie. Für einen erfolgreichen Einsatz in hochbelasteten Strukturen besteht die technische und wirtschaftliche Notwendigkeit, angepasste Fügetechnologien zu entwickeln. Wie der Beitrag der TU Dresden zeigt, lassen sich hierbei insbesondere die werkstoffspezifischen Eigenschaften faserverstärkter Thermoplaste, wie etwa die Warmformbarkeit und Schweißbarkeit, gezielt ausnutzen.Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind aufgrund ihrer hohen spezifischen mechanischen Kennwerte und der gezielten Einstellbarkeit der Materialeigenschaften in vielen Bereichen des Fahrzeug-, Maschinen- und Anlagenbaus sowie in der Luftfahrt fest etabliert. In jüngster Zeit kommen für die Serienfertigung von Leichtbaustrukturen zunehmend vorkonsolidierte Halbzeuge mit thermoplastischer Matrix (sogenannte Organob ...
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Eine für die Automobilindustrie neue, extrem schnelle Bolzensetztechnologie ermöglicht einseitiges Fügen ohne Vorlochen. Sie eignet sich beim Verbinden von Profilen für eine Vielzahl von Werkstoffen, so auch für Mischbauweisen speziell aus dünnwandigen, hochfesten Stählen Aluminium und Klebstoff. Die Technologie besitzt in der Automobilindustrie das Potenzial, den Karosseriebau mit Blick auf Gewichtseinsparungen nachhaltig zu verändern.
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The influence of innovative technologies and green policies in manufacturing has created new design needs. Reinforced thermoplastics and metals are widely used as engineering materials for weight reduction, usually assembled by joining. This article presents the principles of a new injection clinching joining (ICJ) process for polymer—metal hybrid structures. Based on staking, injection molding, and adhesive bonding technologies, ICJ provides spot joints with mechanical anchoring of a polymeric partner in a designed cavity of a metallic part. A feasibility study on a polyamide thermoplastic composite and aluminum is presented, addressing the mechanical, microstructural, and thermal properties of ICJ joints.
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Da eine mangelhafte Adhäsion zwischen Fügeteiloberfläche und Klebstoffpolymer in vielen Fällen eine Schwachstelle von Metallklebverbunden darstellt, ist die Stabilisierung dieser Grenzschicht ein wichtiges Ziel der heutigen Klebstoffforschung. Ein Ansatzpunkt besteht hierbei in der Vorbehandlung der Fügeteiloberflächen, die sowohl mechanisch als auch chemisch erfolgen kann. Ausgehend von einer chemischen Modifizierung kommen Haftvermittler und Primer zum Einsatz, mit denen die Oberflächen beschichtet werden. Durch dieses Coating wird eine verbesserte Haftung des Klebstoffpolymers auf der Metalloberfläche erzielt. Zu diesem Zweck wurden klassische, niedermolekulare Kupplungsreagenzien auf Basis von Salicylsäure synthetisiert und in praktischen Klebversuchen bezüglich ihrer Wirksamkeit überprüft. Ebenfalls wurden neuartige, multifunktionelle Kupplungsreagenzien dargestellt, welche als polymere Haftvermittler zu charakterisieren sind. Bei diesen Verbindungen sind viele metallspezifische und klebstoffspezifische Gruppen an ein polymeres Acrylat-Rückgrat gebunden. Zur Beurteilung, inwieweit sich diese Substanzen zur Verbesserung der Adhäsion von Klebstoffen an Substratoberflächen eignen, wurden sie bei der Verklebung von verzinkten Stahlblechen als Beschichtungsreagenzien eingesetzt. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass durch intrinsische Modifizierung von Klebstoffen die Adhäsion an metallischen Oberflächen ebenfalls verbessert werden kann. Als Modellsystem wurde ein Haftklebstoff auf Grundlage von Butylacrylat und 2-Ethylhexylacrylat verwendet, welcher durch Hinzufügen metallspezifischer Comonomere gezielt verändert wurde. Die resultierenden, modifizierten Klebstoffpolymere wurden zu Haftfilmen verarbeitet, deren adhäsive Eigenschaften durch Schälversuche ermittelt wurden. Im Vergleich zu nicht modifizierten Systemen weisen diese metallophilen Klebstoffe eine deutlich erhöhte Tendenz zur Anbindung an metallische Oberflächen auf.
Kunststoff und Metall im festen Verbund. Verbindungstechnik für Kunststoff-Metall-Hybridstrukturen
  • U Endemann
  • S Glaser
  • M Völker
Endemann, U.; Glaser, S.; Völker, M.: Kunststoff und Metall im festen Verbund. Verbindungstechnik für Kunststoff-Metall-Hybridstrukturen. In: KU Kunststoffe 92 (22), S. 101-13.
Hrsg.): Hybridspritzgießen. Möglichkeiten und Grenzen
  • H Ridder
  • J Schnieders
Ridder, H.; Schnieders, J. (Hrsg.): Hybridspritzgießen. Möglichkeiten und Grenzen. Düsseldorf 2007.
Entwicklung von kraftflussgerechten Verbindungstechniken für Mischbauweisen mit thermoplastischen Faserverbunden und Metallen
  • H Seidlitz
Seidlitz, H.: Entwicklung von kraftflussgerechten Verbindungstechniken für Mischbauweisen mit thermoplastischen Faserverbunden und Metallen, Techn. Univ., Diss.--Chemnitz, 2013. München 2013.