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. 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.

Das Ziel des Teilprojektes besteht darin, die physikalischen Eigenschaften der Füge­ver­bindung in Abhängigkeit der 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 Energiebilanzen werden genutzt, um die einzelnen Bindemechanismen zu detektieren und mit den resultierenden Eigen­schaften zu korre­lieren. Diese energetische Betrachtung ermöglicht eine Aussage der Zusammenhänge entlang der Kausalkette „Fügestellenanforderung – Bindemechanismus – Energie – Fügeparameter“. Damit kann die Wandlungsfähigkeit bzw. Adaptierbarkeit der mechanischen Fügetechnik verbessert wer­den.

Innerhalb des Teilprojekts werden am Beispiel von Clinchverbindungen die Anteile der Bindemechanismen Kraftschluss, Formschluss und Stoffschluss analysiert. Die damit erreichte Beschreibung des Zusammenhangs von Eigenschaften der Fügeverbindung und dem Bindemechanismus sowie der Energiebilanz wird 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, wobei 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.

Das Teilprojekt kooperiert 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 erfolgen mit den Teilprojekten, die die Charakterisierung des Schädigungsverhaltens der Fügestelle betreiben. Hier erfolgt der Informationsaustausch hinsichtlich der sich über die Lebensdauer der Fügestelle ändernden Anteile der Bindeme­chanismen. Des Weiteren erfolgt die Zu­sammen­arbeit mit den Projekten, die eine Sensitivität der Prozesskette betrachten und insbesondere das Ursache-Wirkungsprinzip adressieren. Ge­genstand der Zusammenarbeit ist die Modellvalidierung und Robustifizierung der Prozesse bzw. der gesamten Prozesskette.