Machbarkeitsstudie zum Heißverpressen von bepinnten Metallen mit glasfaserverstärkten Thermoplasten

Abstract

Leichtbau nimmt im Bereich Mobilität und Transport einen immer höheren Stellenwert ein. Neben konstruktiven Maßnahmen zur Gewichtsreduktion kommen faserverstärkte Kunststoffe (FVK) auf Grund ihrer hohen Steifigkeits- und Festigkeitswerte bei geringem Gewicht vermehrt zum Einsatz. Es ist notwendig die verschiedenen zum Einsatz kommenden Materialien optimal zu verbinden. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Machbarkeitsstudie zur Verbindung von Metallen mit glasfaserverstärkten Thermoplasten durchgeführt. Diese wurde im Rahmen eines Projektes, im Auftrag und mit Unterstützung von AUDI AG und Fronius International GmbH durchgeführt. Dazu werden s.g. Pins auf Stahl- und Aluminiumbleche geschweißt. Diese werden dann mit dem FVK bei entsprechenden Parametern (u.a. Temperatur, Druck) heißverpresst. Dadurch entsteht ein Formschluss zwischen FVK und den Pins. Diese Verbindung wurde mechanischer Prüfung in Form von Scher-, Kopf- und Schälzug unterzogen. Die Verbindungen zwischen den beiden Metallen mit je zwei FVK (glasfasergewebeverstärktes PP und PA6) wurde geprüft. Zum Eingrenzen der Verpressbedingungen wurden die beiden zu prüfenden FVK vor den ersten Verpressversuchen mittels Thermogravimetrischer Analyse (TGA), Differnzkalorimetrie (DSC) und Dynamisch-Mechanischer Analyse (DMA) charakterisiert. Die Verbindugsherstellung wurde mit verschiedenen Verpressmethoden getestet. Diese sind durch optische Analyse der Querschliffe bewertet worden. Die Versuche ergaben, dass die Verpresstemperatur unter dem Schmelzpunkt liegen sollte. Mit diesen Ergebnissen wurden die Verpressmethoden für die mechanische Prüfung ausgewählt. Zur Feststellung der mechanischen Eigenschafen wurden alle FVK-Aluminium-Verbindungen sowie alle Scherzugprüfungen mit je zwei Pinabständen (3 mm und 4 mm Achsabstand) mit einer Verpressmethode knapp unter dem jeweiligen Schmelzpunkt hergestellt. Bei den Kopf- und Schälzugversuchen der FVK-Stahl-Verbindungen wurde diese Vorgangsweise auf Grund verschiedener Pingeometrien (schmaler Pinquerschnitt bei 4 mm Pinabstand, breiter Pinquerschnitt bei 3 mm Pinabstand) bei der Lieferung abgeändert. Da ein Vergleich mit unterschiedlichen Pinabständen und unterschiedlicher Pingeometrie nicht sinnvoll ist, wurden hier zwei verschiedene Verpressmethoden (5 K und 25 K unter Schmelztemperatur) pro Pingeometrie getestet. Die FVK-Aluminium-Pins mit 3 mm Pinabstand zeigen größtenteils bessere Ergebnisse. Der steifere Verbund (glasfaserverstärktes PA6) führte teilweise zu Pinabrissen. Bei den FVK-Stahl-Verbindungen ist zu beobachten, dass die Pingeometrie offensichtlich Einfluss auf die Verbindung hat. Die Ergebnisse zeigen, dass die breite Pingeometrie (bei 3 mm Pinabstand) bei heißer Verpressung höhere Maximalwerte erreicht. Die schmale Pingeometrie (bei 4 mm Pinabstand) verhält sich umgekehrt. Es handelt sich hierbei um eine Machbarkeitsstudie, in welcher ausschließlich festgestellt werden soll, ob diese Verbindungsart Potenzial zur Weiterentwicklung aufweist. Für die zuverlässige Feststellung der Möglichkeiten und Grenzen dieser Verbindungsart sind noch entsprechende Optimierungsverfahren und Prüfreihen durchzuführen.

Light weight construction is becoming increasingly important in mechanical engineering field due to the limited resources and the desire for a higher mobility. Therefore, new ways of construction and novel materials are needed to be established. Fibre-reinforced-materials are a budding opportunity because of their mechanical proprieties. To ensure the ideal balance between weight reduction and mechanical needs, it is necessary to join different kinds of materials. In the course of this thesis, a feasibility study on compounds consisting of glass fibre reinforced thermoplastics (GRP) and metals was conducted. This thesis was conducted as part of a research project. It was done on behalf of AUDI AG and Fronius Interantional GmbH and with their active support. For the compound so-called pins were welded onto the surface of steel and aluminium plates. These plates were jointed with GRP via a hot pressing process with different parameters such as temperature, pressure etc.., thereby a positive-locking accrues. Then the compounds were tested mechanically in three different breadboards (tensile shear testing, cross tension testing and tensile peel testing). The tests were conducted with two GRP (PP and Nylon 6) per metal. To speculate the required joining-parameters, the GRP were tested in three common thermal and mechanical analyses (DSC, TGA and DMA). For the fabrication of the link between the different materials, various parameters were tested. Within these experiments, the guideline to use temperatures below the melting point of the plastics was established. This method was used to fabricate the compounds for the mechanical testing. The mechanical diagnoses of the aluminium-GRP-compounds were conducted with two distances (3 mm and 4 mm centre to centre distance) between the pins. For tensile shear testing, the same method was used for steal-GRP-compounds. Due to changes in the geometry of the pins in the second shipment, the intended experimental design had to be changed. The comparison of different geometries of pins and distances is not reasonable, therefore two different joining methods (5 K and 25 K below the melting point of the plastics) were fabricated and compared. The aluminium-GRP-compounds show better results with 3 mm centre to centre distance. The more rigid GRP (Nylon 6) led partly to breakaways of pins. A different trend was observed with the steal-GRP-compounds. Even if not directly comparable, the results suggest that geometry of pin influences the resistance significantly. This thesis is a feasibility study which exclusively analyses the possibilities of such a compound. The results obtained here are preliminary ones, where further detailed test series have to be conducted to find the ideal pressing methods and mechanical potential.