Určete Vhodné Metody Spojování Pro Metody Konstrukce S Více Materiály

Vývoj v oblasti konstrukce vozidel se stále více potýká s problémy při přechodu z využívání fosilních paliv na elektrifikaci hnacího ústrojí. Díky rostoucí dynamice v politickém prostředí a rostoucím regulačním požadavkům je stále více kladen důraz na lehká řešení jako klíčová technologie pro plnění zákonných požadavků a požadavků zákazníků.

Komplexní koncept lehké konstrukce

Společný projekt HigHKo financovaný Spolkovým ministerstvem hospodářství a energetiky (BMWi) se snažil tyto výzvy splnit v oblasti lehkých staveb. Spolu s partnery projektu Porsche AG, ElringKlinger AG a Fraunhofer IPA byl vyvinut koncept lehké konstrukce, který v počátečním stádiu zohledňoval požadavky na hlavní součásti systému, jako je systém baterií, podvozek a tělo, aby bylo možné dosáhnout významného snížení hmotnosti. Kromě materiálních inovací to zahrnovalo také integraci nových procesů a spojování technologií.

lepidlo

Odborná diskuse o lepení - zajištění spolehlivosti elektrických motorů

V centru pozornosti inovativních koncepcí vozidel se lehká konstrukce stává stále důležitější, protože nabízí významný potenciál snižování hmotnosti, a proto může zvrátit tzv. Hmotnostní spirálu při konstrukci vozidla [1]. Rostoucí potřeba zvýšené bezpečnosti, větší pohodlí a lepší jízdní výkon vedl k neustálému zvyšování hmotnosti vozidla [1, 2, 3, 4]. Lehká konstrukce má zvláštní význam pro elektrická vozidla, která mají výrazně vyšší hmotnost než srovnatelná vozidla s motorem s vnitřním spalováním [5], přičemž modul akumulátoru tvoří značnou část celkové hmotnosti vozidla.

Vyšší hmotnost bateriových článků znamená, že okolní struktury karoserie musí být vyztuženy, což zase uvádí do pohybu hmotnostní spirálu, což má zase negativní vliv na dosah elektrických vozidel [5, 6]. Pro ekonomický úspěch nových pohonů je proto nezbytné dosáhnout zvýšení rozsahu významným snížením hmotnosti. Obzvláště tělo, které tvoří asi třetinu hmotnosti celkového vozidla, má velký potenciál [2, 3].

Čtyři sloupy lehké konstrukce

Pro vývoj vhodných lehkých konstrukcí byly v automobilovém inženýrství zřízeny čtyři pilíře lehké konstrukce [2]. Patří k nim na jedné straně lehký design, který se snaží minimalizovat hmotnost optimalizací tvaru a topologie, přičemž struktura zůstává rovnoměrně tuhá při malém použití materiálu [2, 4, 7]. V lehkém provedení se hmotnost snižuje systematickým vynecháváním zbytečných součástí, jako je rezervní kolo nebo jednoduché nosné konstrukce [2, 4]. Kromě toho se používá lehká výroba, ve které je dosaženo potenciálů úspory hmotnosti prostřednictvím výrobních, výrobních a montážních procesů, jako je například použití plechů a profilů optimalizovaných na tloušťku [2, 7]. Čtvrtým přístupem je lehká konstrukce,což umožňuje snižování hmotnosti použitím lehkých materiálů (obr. 1), jako jsou kompozitní plasty z hliníku, hořčíku nebo vláken (FRP) [8].

V automobilovém průmyslu však nebude nahrazování tradičních kovových konstrukcí moderními lehkými materiály, jako jsou plasty vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRP), v budoucnu z důvodu vysokých nákladů na materiál užitečné. Pákou ke snížení vysokých nákladů na čisté konstrukční metody FRP je použití způsobů výroby více materiálů nebo smíšených konstrukcí, které umožňují, aby různé materiály uvnitř komponenty spolupracovaly způsobem, který je vhodný pro zatížení a funkci [9, 10]. Zde je vybrán materiál, který s přihlédnutím k ekonomickým a výrobně-technickým požadavkům optimálně splňuje požadavky kladené na příslušnou součást karoserie vozidla s minimální hmotností [4, 10]. Pouhé snížení hmotnosti při provádění smíšené konstrukce není jedinou výhodouKombinace různých materiálů kromě snížení hmotnosti také dosahuje významného zlepšení požadovaných vlastností mechanických součástí. Například zatížení může být absorbováno ve vysoce namáhaných konstrukčních prvcích prostřednictvím místního použití plastů vyztužených uhlíkovými vlákny [1].

Spojení technologie jako faktoru úspěchu smíšené konstrukce

Četné výhody smíšené konstrukce však čelí značným výzvám, přičemž spojovací technologie mezi cizími materiály je ústředním problémem. Například konkrétní kombinace materiálů zásadně vylučují určité procesy spojování [9]. Kritické jsou také body zavedení síly a oblasti přechodu, kde se setkávají různé materiály [2, 8]. Zde je důležité vzít v úvahu problémy způsobené odlišnými vlastnostmi materiálu, jako je různá tepelná roztažnost, kontaktní a štěrbinová koroze [9]. Pro spojovací technologii je prioritou, aby výhody smíšené konstrukce nebyly způsobeny nepříznivými důsledky nevhodných spojovacích procesů, jako je zvýšení hmotnosti,v oblasti kloubu lze vyrovnat nízkou tuhost nebo pevnost [2].

Kompendium lehké

Sbírejte nápady pro lehkou konstrukci

Tyto překážky objasňují, že zkušenosti v oblasti klasických spojovacích procesů nelze přenést do systémů s více materiály [2]. Výběr a použití spojovacích procesů vhodných pro materiál je proto zvláště důležité, aby bylo možné optimálně využít specifické materiálové vlastnosti [8, 9].

V současné době se používají různé spojovací technologie k vytvoření pevných a trvalých spojení mezi komponenty těla (viz obr. 2). V rámci koncepcí lehké konstrukce a přidružené metody smíšené konstrukce dosahují termické spojovací procesy, jako je svařování, své limity nebo je nelze použít. V této souvislosti mají různé teploty tání, teplotní odpory a rozdílné koeficienty vedení tepla u nepatříčkových materiálů nepříznivý vliv na jejich schopnost tepelného spojování [11]. Kromě toho se mohou v důsledku různých koeficientů tepelné roztažnosti spojovacích partnerů vyskytnout napětí a deformace součásti, které jsou spojeny se ztrátou rozměrové přesnosti a funkčnosti komponenty.

Alternativní mechanické spojovací procesy

Alternativy jsou nabízeny mechanickými spojovacími procesy, jako jsou nýtovací nýty nebo klinčování, které jsou vhodné jako techniky s nízkým zkreslením pro kladné a záporné spojení rozměrově kritických sestav [12]. Jednou z hlavních výhod těchto procesů je, že v důsledku nedostatečného přívodu tepla mohou být různé materiály spojeny nákladově efektivním a energeticky efektivním způsobem při zachování jejich příslušných materiálových vlastností [11].

Dát

Univerzální technologie spojování

Další technikou spojování za nízkých teplot je lepení, pomocí kterého lze prakticky všechny technicky použitelné materiály spojit dohromady způsobem, který je vhodný pro materiál. Spoj vytvořený adhezí je vytvořen velmi jemně, protože proces lepení nevyžaduje ani nadměrné teplo, například při svařování, ani strukturálně oslabující otvory, jako je nýtování. Obecně velkoplošné lepidlo také zajišťuje rovnoměrné rozložení napětí v součásti a může vykazovat výhody, pokud jde o strukturální tlumení [13].

Kromě výše uvedených procesů se v karoseriích se smíšenými karoseriemi zavedly také hybridní spojovací technologie, které kombinují použití lepidel s procesy mechanického spojování [1, 4, 7, 12]. Taková hybridní spojení zejména splňují profily požadavků na spojovací technologii v těle v bílém s ohledem na tuhost, pevnost a absorpci energie, a to i v případě nárazu [12, 14].

Metodika výběru spojovacích procesů

Ve smíšené konstrukci představuje výběr nejúčinnějších spojovacích procesů, s přihlédnutím k požadavkům na design a materiál, hlavní výzvy pro projektanta v procesu vývoje. V současné době je výběrový proces v rámci společnosti založen především na osobních znalostech a zkušenostech zaměstnance pomocí textových nástrojů, jako je odborná literatura nebo stavební katalogy. Tento postup je nejen časově náročný a neefektivní, ale také neprůhledný a není reprodukovatelný. Aby se tento proces systematizoval, vyvinula Fraunhofer IPA databázovou aplikaci JoinIT, která poskytuje metodologii pro výběr vhodných spojovacích technologií jako databáze znalostí s přihlédnutím k různým úrovním morfologického výrobního systému.

Aplikace je založena na databázi, která jako základ zahrnuje procesy spojování podle DIN 8593. V iteračním výběrovém procesu lze definováním ovlivňujících faktorů, které tvoří spojovací úkol, spojovacích partnerů, geometrie spojovacího bodu a dalších požadavků na spojovací úkol, odvodit vhodné cesty řešení porovnáním příslušných charakteristik spojovací technologie (viz obr. 3).

Klasifikace materiálů podle norem DIN

Základem vyvinuté metodiky výběru je stanovení zapojených partnerů zapojených z materiálového hlediska, přičemž se vedle klasických stavebních materiálů, jako jsou kovy a plasty, berou v úvahu také materiálové typy keramiky, jakož i kompozitní materiály a materiály na bázi dřeva. Klasifikace materiálů odpovídá systematice podle norem DIN podle tříd materiálů, skupin a čísel. Proces výběru tak může být proveden pomocí definované cesty hierarchie materiálu, a to jak na úrovni nadřazených tříd materiálu a skupin až po příslušná čísla materiálu.

Kromě spojovaných materiálů jsou pro proces spojování rozhodující také povrchové vlastnosti spojovaných částí. To vyžaduje, aby do metodologie byly také začleněny metody povrchové úpravy (např. Otryskané, leštěné), povrchové kalení (např. Plamenem tvrdené, laserem kalené) a povrchové potahování (např. Galvanizované, práškové). Postupy, které byly vzaty v úvahu ve vztahu ke třem podoblastím, byly stanoveny za použití odborné literatury.

Konstrukce z více materiálů

Spojte plasty s hořčíkovými listy vstřikováním

Zohledněny geometrické požadavky

Geometrické požadavky spoje jsou také zahrnuty v metodice pro další upřesnění výběru. Patří sem typy spojů běžně používané pro spojování (např. Tupý spoj, překrytí spoje) a požadavky týkající se přístupnosti spoje (jednostranný, oboustranný).

Kromě charakterizace spojovacího partnera a spojovacího bodu lze výběrový proces dále systematizovat stanovením dalších požadavků na spojovací úkol. To zahrnuje technické, ekonomické a ekologické aspekty a jejich příslušné vlastnosti, jejichž výběr vychází z norem DIN, stavebních katalogů a odborné literatury. Technické požadavky se týkají například typů napětí na kloubu (např. Tahové zatížení, smykové zatížení), požadavků na odolnost vůči médiím (např. Odolnost vůči oleji, odolnost proti stříkající vodě) nebo požadavkům na těsnost médií (např. Vzduchotěsné, vodotěsné). Ekonomické požadavky zahrnují například automatizaci spojovací technologie (např. Částečně automatizované,plně automatizovaný) nebo škálovatelnost počtu dílů, které mají být spojeny za rok. V rámci ekologických aspektů jsou například shrnuty požadavky týkající se emisí (např. Nízký hluk, bez záření) nebo spotřeby energie (např. Nízká, vysoká).

Programová implementace aplikace JoinIT

Vypracovaná metodika výběru byla zmapována v databázové architektuře a naplněna prvními údaji o příkladných spojovacích projektech. Databázová aplikace JoinIT byla poté implementována ve formě dynamické webové aplikace. Grafické uživatelské rozhraní webové aplikace (viz obr. 4) je podrobněji popsáno níže.

V rámci procesu výběru provozovatel nejprve definuje spojující se partnery (1). Výběrem součásti, která má být v každém případě popsána, se otevře rozbalovací nabídka (2), ve které mohou být provedeny požadované informace v souladu s metodou výběru. Výběr materiálu probíhá ve strukturovaném procesu podél cesty hierarchie uloženého materiálu na požadovanou úroveň podrobnosti (3). Díly, které mají být spojeny, mohou být potom podrobněji charakterizovány specifikováním dalších požadavků s ohledem na tloušťku materiálu a jeho povrchovou úpravu. Numerické informace, jako je tloušťka materiálu, se nastavují pomocí posuvných ovladačů (4), zatímco informace s booleovskými hodnotami, jako je specifický povrchový povrch spojovaného partnera, který má být definován, se aktivují pomocí zaškrtávacích políček (5). Pokud nelze požadavek v době vyhledávání omezit, není v tomto poli proveden žádný záznam.

Třecí míchání svařování

Spojování pomocí tření a tlaku

Rozmanité zúžení požadavků

Po podrobném vymezení spojovacích partnerů může být výběr omezen podle metodiky poskytnutím dalších informací o geometrickém typu spojovacího spojení, jakož i o technických, ekonomických a ekologických požadavcích na spojovací úkol (6). Ve smyslu jasného vzhledu a vysoké úrovně uživatelské přívětivosti jsou jednotlivým požadavkům přiřazovány klastry, jejichž možné vlastnosti jsou minimalizovány (7). Pouze když je vybrán konkrétní klastr, otevře se rozevírací nabídka (8) s uloženými charakteristikami, přičemž položky mohou být provedeny analogicky pomocí posuvných ovladačů (např. Teplotní odolnost) a zaškrtávacích políček (např. Olejové odolnosti).

Hledání výsledků ve výběrovém řízení je založeno na principu vyloučení. Algoritmus vyhledávání porovnává položky v databázi, aby vyhovovaly vybraným požadavkům v reálném čase. Každý definovaný požadavek, který není spojovacím procesem splněn, vede k okamžitému vyloučení příslušného spojovacího procesu v zobrazení výsledku.

Uživatelsky přívětivý a jasný

Množství řešení je předloženo vývojáři ve výsledkovém poli (9), s uvedením referenčních spojovacích projektů uložených v databázi. Prostřednictvím odkazu si můžete podrobně prohlédnout referenční projekty řešení s jejich podrobnostmi ohledně popisu procesu a možných odpovědných zaměstnanců ve společnosti.

Výsledky databázové aplikace jsou prezentovány v souladu s metodou internetového obchodu, která se vyznačuje vysokou mírou uživatelského přívětivosti a srozumitelnosti díky snadnému a postupnému výběru a odznačení požadavků, jakož i živou aktualizací množství řešení v oblasti výsledků. Postup tedy nabízí významné výhody v oblasti časových požadavků, intuitivnosti, vícenásobného výběru a korekce vstupu.

Metodický a reprodukovatelný postup

Technologie spojování mezi různými materiály představuje zvláštní výzvu pro konstrukci karoserie v bílé konstrukci ve smíšené konstrukci a všechny struktury hybridních komponent, protože příslušná směs materiálů vyžaduje nebo vylučuje použití různých technologií spojování. Nejdůležitějším faktorem úspěchu je nejúčinnější výběr v procesu vývoje, který zohledňuje požadavky na design a materiál s ohledem na funkci, kvalitu a hospodárnost. Za účelem zjednodušení tohoto výběrového procesu v koncepční a návrhové fázi byla vyvinuta počítačová aplikace JoinIT, která umožňuje metodický a reprodukovatelný postup při výběru vhodných spojovacích procesů ve více materiálových systémech. JoinIT je určen k použití nad rámec základního výzkumného projektu a v budoucnu usnadní třetím stranám výběr vhodných metod spojení jako obecně dostupné databáze znalostí.

Postup lisování

Inženýři IWS tvoří moderní lehké díly pro letadla

díkůvzdání

Společný projekt HigHKo - vysoce integrativní koncept zadního vozu byl financován v rámci programu financování „Zvýšení účinnosti vozidla s pohonem“s prostředky Spolkového ministerstva hospodářství a energetiky (BMWi) a pod dohledem agentury pro řízení projektů Mobility and Traffic Technologies (TÜV Rheinland). Autoři děkují BMWi za poskytnuté finanční prostředky a agentuře pro řízení projektů a všem zúčastněným partnerům konsorcia za jejich podporu.

bibliografie

[1] Gude, M.; Meschut, G.; Täh, MF & Lieberwirth, H. (2015). Příležitosti a výzvy v lehké konstrukci efektivní z hlediska zdrojů pro elektromobilitu. Studium pstruhů.

[2] Beck, FU (2013). Spojovací technologie strukturálních smíšených spojů CFRP-Al v automobilovém inženýrství. Göttingen: Cuvillier Verlag. K dispozici na adrese:

[3] Meschut, G. & Augenthaler, F. (2015). Hybridní spojování kompozitních struktur z plastů vyztužených vlákny s kovovými polotovary. Závěrečná zpráva IGF.

[4] Ruther, M.; Jost, R.; Pátek, V.; Peitz, V.; Piccolo, S.; Brüdgam, S.; Meschut, G.; Küting, J.; Hahn, O. & Timmermann, R. (2003). Optimalizace spojovacího systému pro výrobu smíšených konstrukčních metod z kombinací materiálů ocel, hliník, hořčík a plast. Závěrečná veřejná zpráva o projektu BMBF.

[5] Köth, C.-P. (2020). Volkswagen: „Investujeme do cenově dostupné lehké konstrukce místo drahých bateriových článků“. K dispozici na adrese: https://www.automobil-industrie.vogel.de/volkswagen-wir-investieren-in-bezahlbaren- Leichtbau-statt-in-teure-batteriezellen-a-904626 /

[6] Strathmann, T. (2019). Elektrická mobilita jako rušivá inovace. Výzvy a důsledky pro zavedené výrobce automobilů. Mainz: Springer Gabler.

[7] Henning, F. & Moeller, E. (ed.) (2011). Lehký stavební manuál. Metody, materiály, výroba. Mnichov: Carl Hanser.

[8] Klose, P. (2008). Ekonomické koncepty lehkých konstrukcí pro velké série. Celostní přístup. In: Lightweight Design 4/2008, str. 28-33.

[9] Prüß, H.; Stechert, C. & Vietor, T. (2010). Metodika pro výběr spojovacích technologií ve více materiálových systémech. 21. In: DfX Symposium 2010. str. 1-13.

[10] Sahr, C.; Berger, L. & Lesemann, M. (2010). Systematický výběr materiálů pro karosérii Superlight-Car. In.: ATZ 05 112. rok, s. 341-347.

[11] Dietrich, J. (2013). Cvičení technologie tváření. Procesy tváření a řezání, nástroje, stroje. Wiesbaden: Springer Vieweg.

[12] Koll, S. (2008). Celé úderové nýty a klinčování dobře zapadají. K dispozici na adrese:

[13] Klingen, J. (2019). Adhezivní lepicí technologie. Průvodce moderním a bezpečným procesem lepení v průmyslu a obchodu. Weinheim: Wiley-VCH.

[14] Nelson, A. (2019). Modelování a výpočet konečných prvků pozitivních a materiálových spojů. In: Kassel University Press.

[15] Audi AG (2017). Nový Audi A8. Technologie připojení. K dispozici na adrese:

* Thomas Götz a Dr.-Ing. Marco Schneider, Fraunhoferův institut pro výrobní inženýrství a automatizaci IPA