Entwicklung des Reibnietens als neues Fuegeverfahren fuer Kunststoff und Leichtbaulegierungen - Development of FricRiveting as a new joining technique for polymer and lightweight alloys

Abstract

Die steigenden Forderungen nach Umweltverträglichkeit, Kosteneinsparung, und hochleistungsfähigen Endprodukten hat Wissenschaftler und Ingenieure veranlasst neue Materialien und Technologien zu entwickeln. Daraus resultierten beispielsweise die Polymer-Metall Hybridstrukturen. Diese werden insbesondere in Transport- und moderner Bauindustrie angewandt. Geeignete herkömmliche Fügeverfahren dafür (Kleben und mechanische Fügeverfahren) sind üblicherweise entweder teuer, weisen limitierte Festigkeit und Anwendbarkeit auf oder sind nicht umweltfreundlich. Die im Rahmen dieser Arbeit behandelte neue Reibnieten (FricRiveting) Methode für Polymer-Metall Mischverbindungen wurde hierfür als alternative, zuverlässige, umweltfreundliche, und potenziell kostengünstige Punktverbindungstechnik entwickelt, beschrieben und nachgewiesen. In der einfachsten Variante des Reibnietens dringt eine in Rotation versetzte zylinderförmige metallische Niete in die Oberfläche eines oder mehrerer Kunststoff-Grundwerkstoffe ein. Aufgrund der hohen Rotation bzw. des hohen Axialdruckes wird Reibungswärme erzeugt. Mit Erreichen einer vorprogrammierten Zeit erhöht sich die Prozesstemperatur signifikant. Dadurch wird die Spitze der Niete plastifiziert; in diesem Moment wird die Rotation verzögert und der Axialdruck in die Fügepartner erhöht. Als Folge verformt sich die Nietenpitze entsprechend des Druckverhältnisses. Nach der Abkühlungsphase wird die verformte Nietspitze formschlüssig im Kunststoff verankert. Die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Theorien, und Mechanismen wurden bei Verbindungen von Polyetherimid (PEI) und Aluminium 2024-T351 (Al-Cu-Mg Legierung) nachgewiesen. Punkt- und Überlappverbindungen mit hohem Festigkeits-Wirkungsgrad unter Raumtemperatur (der Zugfestigkeit- Wirkungsgrad betrug bis zu ca. 97 % der Nietfestigkeit und der Scherzugfestigkeit-Wirkungsgrad betrug bis zu ca. 70 % der Kunststofffestigkeit) wurden reibgenietet. Zum Schluss wurden die Gefügeänderung und mikrostrukturellen Eigenschaften dieser reibgenieteten Verbindungen beschrieben. Die im Laufe dieser Arbeit entstandenen wissenschaftlichen bzw. technischen Ergebnisse beweisen die Durchführbarkeit des Reibnietens. Als Ergebnis dieser Arbeit kann das Reibnieten als potenzielle zuverlässige, einfache, kostengünstige, und umweltfreundliche Fügetechnik für Polymer-Metall Verbindungen vorgeschlagen werden. Translated: The increasing demand on environmental consciousness, cost savings and high performance end products has been guiding scientists and engineers to a constant development of new materials and technologies. This class of lightweight structures are specially used in industrial fields such as transportation and modern civil engineering. Currently available joining methods for polymer-metal structures (adhesive bonding and mechanical fastening) are usually application-specific, presenting high operational costs, limited mechanical performance or are not environmental friendly. A new Friction Riveting technique for polymeric-metallic joints was developed, demonstrated and characterized in this work, as an alternative, reliable, environmental compatible and economically viable spot joining process. In the simplest process variant a rotating cylindrical metallic rivet is inserted in one or more thermoplastic base plates. The high rotation speed and pressure increase friction and heat is generated. When the preset time is achieved the temperature highly increases and the rivet tip plasticizes. At this point rotation is decelerated and the axial pressure increased, so the plasticized rivet tip becomes deformed; after cooling it becomes anchored in the polymeric base plate. In this work case-study joints on commercially available polyetherimide (PEI) and aluminium 2024-T351 (Al-Cu-Mg alloy) were chosen for demonstrating proposed theories and mechanisms of FricRiveting. Sound friction riveted point-on-plate and single-rivet overlap joints with elevated joint efficiencies in terms of base materials strength were obtained (tensile joint efficiencies of about 97 % of the rivet strength and shear joint efficiencies of about 70 % of the polymer strength) through tensile and lap shear testing at room temperature. Finally, the microstructural changes and properties were described for this case-study joint. The feasibility of FricRiveting was demonstrated in this work by the presented technical and scientific results. From this work it can be suggested that FricRiveting has the potential to be established as a reliable, simple, cost effective and environmental friendly joining technique for polymer-metal components.