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Mechanical joining without auxiliary elements (TRR 285 C01)

Third Party Funds Group - Sub project

Acronym: TRR 285 C01

Start date : 01.07.2019

End date : 30.06.2027

Website: https://trr285.uni-paderborn.de/

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Overall project details

Overall project

Project details

Short description

The aim of this project is to conduct fundamental scientific research into joining without auxiliary element using metallic pin structures produced by forming technology, which are pressed into the joining partner or caulked after insertion into a perforated joining partner, and the joint properties that can be achieved with this. This includes the development of a fundamental understanding of the acting mechanisms with a focus on feasibility in phase 1, the optimisation of the pin structure with regard to geometry and arrangement as well as the joining process for the targeted adjustment of joining properties in phase 2 and the transferability of the technology to an extended range of applications in phase 3. The aim in phase 1 is therefore to develop a fundamental understanding of the extrusion of defined metallic pin geometries from the sheet plane using local material accumulation in order to be able to determine local changes in the material properties, such as strength. Simultaneously, different process control strategies for joining metal and FRP as well as different metals will be fundamentally researched and process windows will be derived.In the case of FRP, various process routes will be investigated with a focus on fibre-friendly injection of the pin structures or hole forming for caulking of the pin structures without delamination of the FRP. Ultrasound, vibration, infrared radiation or combinations of these methods are used to melt the matrix with the goal of identifying suitable process routes and generating an understanding of the mechanisms at work.  Based on the findings of the pin manufacturing and the results regarding the joining processes, a fundamental understanding of the process will be developed, which will allow the further development of the pin geometry and the definition of suitable simple, regular pin arrangements and dimensions in the next step. In order to meet the different requirements of the pin manufacturing process and the joining method, the adaptability of the tool and joining technology is essential. Accordingly, the adaptation on the tool side and the specific process control during pin production will be investigated in order to demonstrate the possible variations. In addition, the adaptability of the joining operation will be achieved by adapting the process control, especially in the case of metal-FRP joints, in order to react to different conditions, such as the fibre layer and layer structure of the FRP. Finally, the direction-dependent joint properties and the application behaviour of the multi-material joints joined with the developed pin geometries will be characterised and evaluated depending on the pin dimensioning and arrangement in order to identify the decisive influencing factors on the joint properties.

Scientific Abstract

Ziel dieses TP ist die grundlagenwissenschaftliche Erforschung des hilfsfügeteilfreien Fügens mittels umformtechnisch hergestellter, metallischer Pin-Strukturen, die in den Fügepartner eingepresst oder nach der Einbringung in entsprechende Aussparungen verstemmt werden, und den hiermit erzielbaren Verbindungseigenschaften. Dies umfasst den Aufbau eines grundlegenden Verständnisses der wirkenden Mechanismen mit dem Fokus der Machbarkeit in der Phase 1, die Optimierung der Pin-Struktur hinsichtlich der Geometrie und der Anordnung sowie des Fügeprozesses für die gezielte Einstellung von Verbindungseigenschaften in Phase 2 und die Übertragbarkeit der Technologie auf ein erweitertes Anwendungsspektrum in Phase 3. Ziel in Phase 1 ist daher die Erarbeitung eins grundlegenden Verständnisses des Fließpressens definierter metallischer Pin-Geometrien aus der Blechebene mittels lokaler Stoffanhäufung, um sich einstellende lokale Veränderungen der Werkstoffeigenschaften, wie z. B. der Festigkeit, bestimmen zu können. Parallel dazu sollen verschiedene Prozessführungsstrategien zum Fügen von Metall und FKV sowie verschiedener Metalle grundlegend erforscht und Prozessfenster abgeleitet werden. Bei FKV sollen im Sinne eines faserschonenden Einpressens der Pin-Strukturen bzw. einer Lochformung für ein Verstemmen der Pin-Strukturen ohne De­la­mination des FKV verschiedene Prozessrouten untersucht werden, bei denen Ultraschall, Vibration, Infrarotstrahlung oder Kombinationen dieser Verfahren zur Aufschmelzung der Matrix genutzt werden mit dem Ziel geeignete Prozessrouten zu identifizieren und Verständnis der wirkenden Mechanismen zu generieren. Auf Basis der Erkenntnisse der Pin-Herstellung und den Ergebnissen hinsichtlich der Fügeprozesse soll ein grundlegendes Prozessverständnis aufgebaut werden, das die Weiterentwicklung der Pin-Geometrie sowie die Definition geeigneter einfacher, regelmäßiger Pin-Anordnungen und -Dimensionen im nächsten Schritt erlaubt. Um den unterschiedlichen Anforderungen aus Pin‑Herstellungsprozess und Fügeverfahren gerecht zu werden, ist die Wandlungsfähigkeit der Werkzeug- und Fügetechnik es­sentiell. Entsprechend sollen die werkzeugseitige Anpassung und die gezielte Prozessteuerung bei der Pin-Herstellung untersucht werden, um die hiermit möglichen Variationsmöglichkeiten aufzu­zeigen. Zudem soll zusätzlich speziell bei Metall-FKV-Verbindungen durch eine Anpassung der Prozessführung die Wandlungsfähigkeit der Füge­operation erreicht werden, um auf unterschiedliche Bedingungen, wie Faserlage und Lagenaufbau des FKV, zu reagieren. Abschließend sollen die richtungsabhängigen Verbindungseigenschaften und das Einsatzverhalten der mit den entwickelten Pin-Geometrien gefügten Multi-Material-Verbindungen in Abhängigkeit der Pin-Dimen­sionierung und -Anordnung charakterisiert, bewertet werden, um die maßgeblichen Einflussfaktoren auf die Verbindungseigenschaften zu identifizieren.

Involved:

Contributing FAU Organisations:

Funding Source

Research Areas