Experimentelle Untersuchung und statistische Analyse wesentlicher Prozessparameter beim Stanznieten von Aluminiumblechen

Um die Entwicklungszeiten zu reduzieren kommen heutzutage im Zuge des Simultanious Engineering schon in der Produkt- und Produktions-Planung Simulationsmethoden zum Einsatz. Unter anderem sollen die Simulationsergebnisse die Eignung des vorgeschlagenen Fügeprozess für die jeweilige Aufgabe aufzeigen. Sie sind deshalb ungemein wichtig für den Entwurf der Produktionslinie. Die Zielsetzung ist, dass die Modelle die Realität so gut abbilden, sodass in Zukunft keine Realversuche mehr nötig sein werden, um die Machbarkeit von Fügeoperation zu gewährleisten. Dies bedingt die Erstellung von Material- und Bauteil-Datenbanken, welche für den Modellaufbau eines jeden nur erdenklichen Produktionsprozesses notwendig sind.
Im Automobilbau wird durch stetige Applikation neuer Werkstoffe und Verfahren versucht, das Leichtbaupotential neuer Fahrzeuge bestmöglich auszunutzen. Ein Trend geht hierbei zur Verwendung von Aluminiumlegierungen, da diese gute mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht aufweisen. Das Fügen von Aluminium stellt allerdings einige Herausforderungen bereit, da thermische Fügeverfahren wie das Punktschweißen nur begrenzt bzw. nicht angewandt werden können. Aus diesem Grund werden hierfür oft Prozesse aus dem Bereich der mechanischen Fügeverfahren wie Nieten oder Clinchen gewählt.
Die Vorteile des Halbholstanznietens sind unter anderem die einfache Automatisierbarkeit, die guten mechanische Eigenschaften und dass keine zusätzliche Wärmeeinbringung ins Bauteil erfolgt. Da die Karosserie im Crash sehr hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, werden verschiedene Versuche, wie Kopfzug-, Scherzug- und Schälzug-Versuch durchgeführt. Die in diesen Tests erfassten mechanischen Kennwerte sind wichtige Eingabeparameter für die nachfolgenden Simulationen. Die Simulation des Setzprozesses mit nachfolgendem virtuellem Testen soll einen Realversuch obsolet machen und somit Kosten und Zeit sparen.
Im Zuge der Masterarbeit wurde eine Halbhohlstanznietanlage so umgerüstet, dass aus einer Kraft-Weg-Messung die notwendigen Parameter für eine spätere Simulation des Setzprozesses ermitteln werden können. Es wurden hierfür Aluminiumblechproben hergestellt, gefügt und deren mechanische Kennwerte aus den Kopfzug- und Scherzug-Versuchen ermittelt. Für die Probenherstellung mussten eigens entwickelte Biege- und Bohr-Vorrichtungen entworfen und gebaut werden. Des Weiteren wurden Schliffproben zur optischen Untersuchung mittels Mikroskop hergestellt, um die charakteristischen Maße der Verbindungen zu erfassen und eine qualitative Beurteilung dieser zu ermöglichen. Um Streuungseffekte des Prozesses zu untersuchen, wurde ein vollfaktorieller Versuchsplan erstellt, der durch dreifache Wiederholung der Versuche statistisch abgesichert ist. Die Ergebnisse aus der DoE wurden mit den Ergebnissen aus der Kraft-Weg-Messung in Zusammenhang gebracht und der Einfluss der Parameter dargestellt.
Aus den Ergebnissen der Diplomarbeit kann eine Verbesserung der mechanischen Kennwerte erwarten werden. Indem man die in der DoE beschriebenen Einflussfaktoren optimiert und die Kraft-Weg-Kurven in Echtzeit überwacht, wird die Streuungsbreite der erzeugten Verbindungen geringer und somit die durchschnittlichen mechanischen Kennwerte verbessert. Die Werte aus den Messungen gepaart mit den Ergebnissen aus den Versuchen sollen als Grundlage für die Erstellung von Simulationsmodellen dienen, welche ein virtuelles Testen der Fügestelle erlauben und somit die Zahl der nötigen Versuche minimieren sollen.