Umformtechnisches Fügen und Formgeben

In der Industrie durchläuft ein Bauteil vom Tiefziehen zum Fügen mehrere Fertigungsschritte. Fertigungsabweichungen führen zu engen Toleranzen und hohen Kosten. Eine adaptive Fertigung mit Datenerfassung, Korrelationswissen und flexiblen Parametern könnte dem entgegenwirken. Im Forschungsvorhaben werden an einem Demonstrator Prozessdaten für die Umsetzung einer adaptiven Fertigung ermittelt. Dazu werden für jeden Teilprozess Daten generiert, Metamodelle trainiert und Korrelationen analysiert. Schließlich werden diese Metamodelle, zur adaptiven Prognose von Toleranzfeldern kombiniert. Ziel ist die Entwicklung eines Modells, zur adaptiven Prozesssteuerung, um Abweichungen aus vorgelagerten Prozessschritten zu kompensieren.

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Im Flugzeugbau finden zahlreiche mechanische Fügetechnologien Verwendung. Hierzu zählen bspw. Vollniet, Hi-Lok- oder Hi-Lite-Systeme. Das Vorhandensein von Vorlöchern, die mit entsprechend zeit- und arbeitsintensiven Vorlochoperationen einhergehen, ist dabei allen Technologien gemein. Folglich bieten vorlochfreie Fügeverfahren, wie sie in anderen Industriezweigen seit Langem etabliert sind, ein hohes Einsparpotential. Für die Anwendung in der Flugzeugrumpfmontage wird vom Projektpartner daher ein selbststanzender Schließringbolzen weiterentwickelt und qualifiziert. Auf das Fügesystem und den geometrischen Restriktionen in der Rumpfmontage abgestimmt, wird ein geeignetes Setzwerkzeug konzeptioniert. Im Fokus steht hierbei ein vollständig automatisiertes Handlingskonzept für Roboter und Setzwerkzeug mithilfe optischer Messmethoden. 

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Aktuelle Entwicklungen befassen sich mit dem Einsatz von selbststanzenden Fügeelementen für das robotergestützte Fügen großformatiger Segmente in der Flugzeugendmontage. Bei den verfahrensbedingt eingebrachten Löchern handelt es sich um geometrische Kerben, die lokal zu hohen Beanspruchungen im Bauteil führen und im Laufe der Nutzung Ausgangspunkt von strukturellen Schäden, bspw. in Form von Ermüdungsrissen (Haarrissen), sein können. Um Veränderungen an einer Fügestelle frühzeitig zu erkennen, müssen besonders sicherheitsrelevante Verbindungen in festen Intervallen aufwendig geprüft werden. Hieran anknüpfend erfolgt die Entwicklung einer durch den Einsatz der zerstörungsfreien Schallemissionsanalyse effizienten und durch die Kombination mit einer objektiven Messdatenauswertung sicheren Prüfmethodik.

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Zur Verbindung mit anderen (An-)Bauteilen stehen Unternehmen der Automobilbranche im Entwicklungsprozess eine Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten aus mechanischen Fügeverfahren und Fügeparametern zur Verfügung, wobei wichtige Informationen zur Anzahl der Fügepunkte, Fügepunktausprägung und Wechselwirkungen zwischen den Fügepunkten aktuell fehlen. An diesem Punkt knüpft das Forschungsvorhaben, mit dem Ziel der Entwicklung einer Optimierungsroutine zur ermüdungsgerechten Auslegung von Fügepunktlayouts, an. Basis der Routine ist ein „Fügekatalog“ mit Informationen zu untersuchten Fügepunkten und deren Ermüdungsverhalten, welcher als Metamodell einfließt. Durch die Modularität der entwickelten Routine kann diese vom Anwender in verschiedenen Detaillierungsgraden verwendet und auf eigene Problemstellungen übertragen werden.

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Aktuelle Entwicklungen befassen sich mit dem Einsatz von selbststanzenden Fügeelementen für das robotergestützte Fügen großformatiger Segmente in der Flugzeugendmontage. Bei den verfahrensbedingt eingebrachten Löchern handelt es sich um geometrische Kerben, die lokal zu hohen Beanspruchungen im Bauteil führen und im Laufe der Nutzung Ausgangspunkt von strukturellen Schäden, bspw. in Form von Ermüdungsrissen (Haarrissen), sein können. Um Veränderungen an einer Fügestelle frühzeitig zu erkennen, müssen besonders sicherheitsrelevante Verbindungen in festen Intervallen aufwendig geprüft werden. Hieran anknüpfend erfolgt die Entwicklung einer durch den Einsatz der zerstörungsfreien Schallemissionsanalyse effizienten und durch die Kombination mit einer objektiven Messdatenauswertung sicheren Prüfmethodik.

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Zur Verbindung mit anderen (An-)Bauteilen stehen Unternehmen der Automobilbranche im Entwicklungsprozess eine Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten aus mechanischen Fügeverfahren und Fügeparametern zur Verfügung, wobei wichtige Informationen zur Anzahl der Fügepunkte, Fügepunktausprägung und Wechselwirkungen zwischen den Fügepunkten aktuell fehlen.

An diesem Punkt knüpft das Forschungsvorhaben, mit dem Ziel der Entwicklung einer Optimierungsroutine zur ermüdungsgerechten Auslegung von Fügepunktlayouts, an. Basis der Routine ist ein „Fügekatalog“ mit Informationen zu untersuchten Fügepunkten und deren Ermüdungsverhalten, welcher als Metamodell einfließt. Durch die Modularität der entwickelten Routine kann diese vom Anwender in verschiedenen Detaillierungsgraden verwendet und auf eigene Problemstellungen übertragen werden.

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Das industrielle Walzrunden von Grobblechen kleiner Losgrößen wird derzeit rein manuell gesteuert. Hierdurch hängen die Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens maßgeblich von der Erfahrung des Anlagenbedieners ab. Um das Verfahren zu optimieren, wurde daher innerhalb des Forschungsprojekts ein objektiver Steuerungsansatz basierend auf einem einfachen geometrischen Modell und einem künstlichen neuronalen Netz (KNN) entwickelt. Hierbei wird das Umformverhalten des Blechs durch das KNN prognostiziert und mithilfe des geometrischen Modells visualisiert. Zur Nachregelung der KNN-Prognose wird die reale Verformung des Blechs messtechnisch erfasst und an das KNN zurückgeführt. Das Konzept stellt eine Grundlage zur Steuerung des Walzrundens dar, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens besonders für KMU nachhaltig verbessert werden kann.

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Beim Fügen von Aluminiumlegierungen, die aufgrund ihrer geringen spezifischen Dichte als ideale Leichtbauwerkstoffe weit verbreitet sind, existieren starke Bestrebungen, werkstofflich artgleiche Verbindungen zu realisieren. Somit können neben einer besseren Recyclingfähigkeit auch die Korrosionsgefahr sowie thermische Eigenspannungen zwischen den Fügepartnern effektiv reduziert werden. Bei den in der Strukturmontage etablierten stanzenden Fügeverfahren, werden üblicherweise Nietelemente aus Stahl verarbeitet. In einem Vorgängerprojekt konnte jedoch erfolgreich eine neue hochfeste Aluminiumlegierung als geeigneter Nietwerkstoff ermittelt werden. Hieran anknüpfend wird die Entwicklung des Aluminium-Vollstanzniets fortgeführt - mit dem Ziel, praxisrelevante Gesamtblechdicken im Bereich von 3 - 5 mm hochfester Aluminiumlegierungen zu fügen.

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Aufgrund ihrer Effizienz werden vorlochfreie, umformtechnische Fügeverfahren verstärkt im Mobilitätssektor eingesetzt. Im Fokus stehen dabei Verfahren, die ohne Verwendung eines Hilfsfügeteils auskommen, wie bspw. das Clinchen. Vor allem im Bereich des Luftfahrzeugbaus herrscht derzeit ein Akzeptanzproblem bedingt durch die fehlenden Kenntnisse dieser Verbindungen hinsichtlich des Versagensverhaltens bei zyklischer Belastung. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die fundierte Analyse der Rissinitiierung an umformtechnisch gefügten Clinchverbindungen und die Prognose des Anriss Ortes sowie Lebensdauer dieser Verbindungen. Eine zentrale Aufgabenstellung besteht dabei in der Darstellung des Einflusses der reibungsbasierten Rissinitiierung auf das Versagensverhalten der Clinchverbindung.

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Das Halbhohlstanznieten ist ein effizientes und in der Strukturmontage von Kraftfahrzeugen etabliertes Fügeverfahren. Beim Verbinden von leistungsfähigen Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) und Metallen resultieren prozessbedingte Schädigungen, wie bspw. Delaminationen, deren Einfluss auf die Verbindungseigenschaften, insbesondere bei zyklischer Belastung, berücksichtigt werden müssen.

Wesentlicher Bestandteil des Vorhabens ist die Analyse des zyklischen Schädigungs- und Versagensverhalten der Verbindungs-Einzelbestandteile und die Übertragung derer auf die Schädigungsanalyse der Fügeverbindung. In der Konsequenz können Zusammenhänge zwischen der Verbindungsausprägung und den Eigenschaften bei zyklischer Belastung abgeleitet werden, wodurch die Akzeptanz des Verbindungsprinzips mit FKV gesteigert und eine sichere Auslegung gewährleistet werden kann.

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Produktionsbedingte Schwankungen innerhalb der Bauteilfertigung führen im Produktions­ver­lauf zu zunehmend kleineren Toleranzfeldern und somit zu hohen Kosten. Die Vernetzung der Produktionsdaten der einzelnen Produktionsschritte ist dabei nur unzureichend gegeben und Korrelationen zwischen diesen Daten sind unbekannt. Somit sind auch die Potenziale für die Erweiterung der Toleranzfelder unbekannt.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Analyse und Vernetzung der Produktionsschritte eines ausgewählten Produktes auf Basis der Produktionsdaten. Um dieses Ziel zu erreichen, werden experimentelle und numerische Analysen entlang der Fertigungskette durchgeführt. Die Produktionsdaten werden zunächst einer Sensitivitätsanalyse unterzogen und anschließend wird die Korrelation zwischen den Fertigungsschritten analysiert. Somit können Toleranzvorgaben erweitert und Kosten eingespart werden.

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