A04 - Modellierung der Fügbarkeit als Funktion des Bindemechanismus

Das Multimaterial-Design und die Wandlungsfähigkeit einer Prozesskette erfordern Fügever­bindun­gen mit gezielt einstellbaren mechanischen, thermischen, chemischen oder elektrischen Eigen­schaften, wobei bisherige Betrachtungen vordergründig die mechanischen Eigenschaften adressie­ren. Durch die Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten aus Anforderungen, Werkstoffen und Bauteil- bzw. Fügestellengeometrie ist eine umfassende empirische Ermittlung dieser Fügestellen­eigen­schaften nicht möglich. Die in Datenbanken bereits hinterlegten technologischen Kennwerte, wie beispielsweise die Scherfestigkeit in Abhängigkeit der verwendeten Werkstoffe und der Füge­stellengestaltung, dienen oftmals nur als ein Richtwert, der anhand der real ausgeführten Füge­ver­bindung experimentell überprüft werden muss. Ähnlich verhält es sich mit den thermischen und elektrischen Kennwerten sowie den real erzielten Eigenschaften. Dieses etablierte und empirisch geprägte Vorgehen hat zur Folge, dass bisher kein Modell existiert, das alle Fragestellungen der Fügbarkeit, das heißt der Werkstoffe (Fügeeignung), der Konstruktion (Fügesicherheit) und der Fer­tigung (Fügemöglichkeit) betrachtet und eine Berechnung der erzielbaren Eigenschaften erlaubt.

Das beantragte Teilprojekt A04 hat daher zum Ziel, die physikalischen Eigenschaften der Füge­ver­bindung in Abhängigkeit der drei Bindemechanismen Kraftschluss, Formschluss und Stoffschluss mittels eines geeigneten Modellierungsansatzes zu beschreiben. Die wissenschaftliche Frage­stel­lung besteht in der quantifizierbaren Formulierung der einzelnen Bindeme­chanismen auf Basis von Energien und Energieströmen, welche bisher nicht verfügbar ist. Dabei wird zwischen zugeführter, gespei­cherter und dissipierter Energie unterschieden. Die skalaren Energiegrößen sowie die ge­richteten Ströme sind summierbar, sodass die Energiebilanzen genutzt werden können, um die einzelnen Beiträge der Bindemechanismen zu berechnen und mit den resultierenden Eigen­schaften zu korre­lieren. Diese energetische Betrachtung ermöglicht eine Berechnung der Zusammenhänge entlang der Kausalkette „Fügestellenanforderung – Bindemechanismus – Energie – Fügeparameter“. Damit kann die Wandlungsfähigkeit bzw. Adaptierbarkeit der mechanischen Fügetechnik verbessert wer­den. Das Projekt beinhaltet somit Fragestellungen der Fügesicherheit, Fügeeignung und der Fügemöglichkeit.

Im Rahmen des Teilprojekts werden zunächst am Beispiel von Clinchverbindungen die Anteile der drei Bindemechanismen Kraftschluss, Formschluss und Stoffschluss analysiert. Letztgenannter Bin­de­mechanismus ist in der mechanischen Fügetechnik zwar nicht erwünscht, kann aber dennoch ungewollt auftreten und dabei mechanische, thermische oder elektrische Lasten übertragen. Aus diesem Grund muss der Stoffschluss in der Analysephase mitbetrachtet werden. Die Analyse erfolgt auf Basis von Finite-Element-Simulationen und experimentell durchgeführten Belastungstests, um die Anteile der Bindemechanismen zu verifizieren. Anschließend erfolgt die Korrelation zwischen den Eigenschaften einer Fügeverbindung, z. B. der Festigkeit im Kopf­zugversuch, und den Anteilen der Bindemechanismen. Diese wechselseitige Beziehung wird dabei mittels approximierender ma­thematischer Gleichungen formuliert, die anschließend physikalisch auf Basis der Energien und Energieströmen interpretiert werden. Die damit erreichte Beschreibung des Zusammenhangs von Eigenschaft der Fügeverbindung und dem Bindemechanismus sowie der Energiebilanz wird an­schließend mittels metallografischer Analysen und ausgesuchter technologischer Tests sowie der Messung des elektrischen Widerstands gefügter Bauteile, experimentell überprüft. Im ab­schließenden Syntheseschritt erfolgt die Formulierung des Modells. Dabei sollen sowohl phä­nomenologische Ansätze zur Beschreibung der Effekte als auch analytische Ansätze verfolgt wer­den. Durch die beiden Modellierungsarten werden unter­schiedliche Simulationsweisen ermög­licht. Die phänomenologische Modellierung kann unter ver­einfachenden geometrischen Annahmen zur ersten, schnellen Fügestellenauslegung und -bewertung verwendet werden. Die analytische Model­lierung ermöglicht die präzise Berechnung auf Basis von Finite-Element Simulations­ergebnissen im post-processing, d. h. die inter­essierenden Größen werden nachträglich berechnet. Alternativ ist die Implementierung der Gleichungen in das Finite-Element-Programm zur direkten Nutzung der Ergeb­nisgrößen im Berechnungsablauf möglich.

Das Teilprojekt kooperiert eng mit den Projekten, die sich mit der Auslegung der Fügever­bindungen beschäftigen. Gegenstand der Kooperation ist die gegenseitige Verifikation der unterschiedlichen, methodisch voneinander abweichenden Modellierungs- und Auslegungs­stra­tegien. Die von diesem Teilprojekt bereit­ge­stellten phänomenologischen Gesetzmäßigkeiten erlau­ben dabei den anderen Teilprojekten die Plausibilitätskontrolle und Modelladaption. Weitere Kooperationen sind mit den Teilprojekten ge­plant, die die Charakterisierung und Beschreibung des Schädigungsverhaltens der Fügestelle betreiben. Hier ist der Informationsaustausch hinsichtlich der sich über die Lebensdauer der Fügestelle ändernden Anteile der Bindeme­chanismen vorge­sehen. Des Weiteren ist die Zu­sammen­arbeit mit den Projekten geplant, die eine Sensitivität der Prozesskette betrachten und hierbei insbesondere das Ursache-Wirkungsprinzip adressieren. Ge­genstand der Zusammenarbeit ist die Modellvalidierung und Robustifizierung der Prozesse bzw. der gesamten Prozesskette. Die jeweiligen Kooperationen sind in den Arbeitspunkten erwähnt und in Kapitel 3.5 näher beschrieben.