Thermoclinching : a novel joining process for lightweight structures in multi-material design

• Autorzy: Gude M. , Hufenbach W. , Vogel C. , Freund A. , Kupfer R.

Warianty tytułu

PL

Thermoclinching : nowatorska metoda łączenia lekkich materiałów hybrydowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the scope of reduced resource consumption and CO2 emissions, lightweight structures in multi-material-design offer a high potential for use in aviation or automotive applications. Though, to take advantage of the specific structural and functional properties of the different materials of hybrid structures, it is necessary to provide adapted manufacturing and joining technologies. This article presents the development of a new thermoclinching joining process to produce hybrid structures with continuous fiber reinforced thermoplastic composites and metallic components. Based on the principles of staking and the classical clinching process, thermoclinching technology ensures element free and form-closed joints by plastic deformation of the reinforced thermoplastic component. To approve the technological concept of the thermoclinching process, prototypic joints with both reinforced and non-reinforced thermoplastics were produced and experimentally tested, revealing up to 50% higher failure loads of the reinforced joints. In order to understand the generated fiber reorientation during the thermoclinching process and its optimization, the produced joints were analyzed using non-destructive and destructive testing methods such as computed tomography scans and micrograph analysis. It was shown that parts of the textile reinforcement were purposefully relocated into the neck and head area of the joint and thus considerably contribute to the load carrying capacity of the joint. Process simulations are performed to predict the plastic deformation and the resulting fiber orientation during the joining process. Even now, it can be stated that without the necessity to apply any additional joining elements, the developed thermoclinching technology projects a high lightweight potential for future composite structures.

PL

W celu zmniejszenia zużycia energii i emisji CO2 coraz częściej projektuje się lekkie konstrukcje z wykorzystaniem materiałów z różnych grup, których potencjał predestynuje je do stosowania w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym. Jednak, aby wykorzystać wyjątkowe właściwości materiałów hybrydowych, konieczne jest zapewnienie odpowiednio zaprojektowanych metod wytwarzania i łączenia. W niniejszej pracy przedstawiono opracowanie nowego procesu łączenia materiałów pochodzących z różnych grup, np. tworzyw termoplastycznych wzmacnianych włóknami ciągłymi i metali. W oparciu o zasady spęczania i klasycznego procesu zaciskania technologia „thermoclinching” została opracowana w taki sposób, że zapewnia zamkniętą postać połączenia, wykorzystując odkształcenie plastyczne tworzywa termoplastycznego. W celu zweryfikowania koncepcji procesu „thermoclinching” wykonano złącza z tworzyw termoplastycznych zarówno wzmocnionych, jak i niewzmocnionych włóknami ciągłymi. W przypadku materiału wzmocnionego zaobserwowano o ponad 50% wzrost wartości obciążeń, potrzebnych do zniszczenia takiego połączenia, w porównaniu do termoplastu niewzmocnionego. W celu określenia sposobu przemieszczania się włókien podczas procesu „thermoclinching” wykonane złącza przebadano za pomocą zarówno niszczących, jak i nieniszczących metod badania materiałów, m.in. tomografii komputerowej i mikroskopii świetlnej. W pracy pokazano, że część wzmocnienia została celowo przesunięta do środkowej i dolnej części połączenia, przyczyniając się tym samym do zwiększenia nośności połączenia. Wykonano również symulacje komputerowe w celu przewidzenia odkształcenia plastycznego oraz przesunięcia wzmocnienia w trakcie procesu łączenia. Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że opracowana technologia „thermoclinching” pozwala na łączenie lekkich materiałów kompozytowych bez konieczności stosowania dodatkowych elementów łączących oraz ma wysoki potencjał aplikacyjny w perspektywie przyszłych zastosowań w technologiach materiałów kompozytowych.

Słowa kluczowe

EN

clinching; hybrid structure; multi-material; joint; thermoplastic composite material; textile composite

PL

klinowanie; struktura hybrydowa; połączenie; termoplastyczne materiały kompozytowe; kompozyty

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 14, nr 3
• Strony: 128--133
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Gude M.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology, Holbeinstr. 3 01307 Dresden, Germany

autor

Hufenbach W.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology, Holbeinstr. 3 01307 Dresden, Germany

autor

Vogel C.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology, Holbeinstr. 3 01307 Dresden, Germany

autor

Freund A.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology, Holbeinstr. 3 01307 Dresden, Germany

autor

Kupfer R.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology, Holbeinstr. 3 01307 Dresden, Germany

Bibliografia

• [1] Gotoh K., Kikuchi S., Improvement of wettability and detergency of polymeric materials by excimer UV treatment, Colloid and Polymer Science 2005, 283, 1356-1360.
• [2] Higashi A., Lima M., Occurrence of defects in laser beam welded Al-Cu-Li sheets with T-joint configuration, Journal of Aerospace Technology and Management 2012, 4, 421-429.
• [3] Wilson R., Murphy A., Price M., Glazebrook C., A preliminary structural design procedure for laser beam welded air-frame stiffened panels, Thin-Walled Structures 2012, 55, 37-50.
• [4] Mucha J., Witkowski W., The experimental analysis of the double joint type change effect on the joint destruction process in uniaxial shearing test, Thin-Walled Structures 2013, 66, 39-49.
• [5] Thoppul S.D., Finegan J., Gibson R.F., Mechanics of mechanically fastened joints in polymer-matrix composite structures - A review, Composites Science and Technology 2009, 69, 301-329.
• [6] Liu D., Tang Y., Cong W., A review of mechanical drilling for composite laminates, Composite Structures 2012, 94.
• [7] Blaga L., Bancila R., dos Santos J., Amancio-Filho S., Friction riveting of glass fibre reinforced polyetherimide composite and titanium grade 2 hybrid joints, Materials and Design 2013, 50, 825-829.
• [8] Abibe A., Amancio-Filho S., dos Santos J., Hage E. Jr, Development and analysis of a new joining method for polymer-metal hybrid structures, Journal of Thermoplastic Composite Materials 2011, 24, 233-249.
• [9] Troughton M., Handbook of Plastics Joining: A Practical Guide, William Andrew Inc. 2008.
• [10] Rotheiser J., Joining of Plastics - Handbook for Designers and Engineers, Carl Hanser, Munich 1999.
• [11] Amancio-Filho S., dos Santos J., Joining of polymers and polymer-metal hybrid structures: recent developments and trends, Polymer Engineering and Science 2009, 1461-1476.
• [12] Grote K., Antonsson E., Springer Handbook of Mechanical Engineering, Springer Verlag 2009.
• [13] Wößner J., Selbst nicht umformbare Bleche werden geclincht - Confix-Fügen bewältigt extreme Dickenunterschiede, Industrieanzeiger 1998, 43.
• [14] TWINTEX® TPP, Material Data Sheet, Owens Corning Composite Materials LLC, Toledo 2008.
• [15] Kaneko K., Inelastic deformation behaviour of polypropylene in large strain region and after cyclic preloadings, Defense Science Journal 2008, 58, 2, 200-208.