In-Situ Pin-Caulking: Effect of Self-Piercing Geometry and Pin Arrangement on Metal/CFRT Joints

Die moderne Ingenieurwissenschaft stützt sich zunehmend auf das Mischen verschiedener Materialien, um leichtere und stärkere Strukturen zu bauen. Eine gängige Strategie besteht darin, Metalle, die zäh und duktil sind, mit fortschrittlichen Verbundwerkstoffen zu kombinieren, die aus kontinuierlichen Fasern bestehen, die in Kunststoff eingebettet sind. Diese faserverstärkten Bleche sind in Richtung der Fasern unglaublich stark, können aber spröde sein und lassen sich nur schwer mit herkömmlichen Methoden verbinden. Das Verkleben erfordert lange Wartezeiten und eine perfekte Oberflächenvorbereitung, während das Bohren von Löchern zum Einsetzen von Bolzen oder Nieten die lasttragenden Fasern durchtrennt und Schwachstellen schafft, an denen Risse entstehen können. Um dies zu lösen, haben Ingenieure eine Technik entwickelt, bei der kleine Metallstifte direkt aus dem Metallblech geformt und in den Verbundwerkstoff gedrückt werden. Anstatt nur in einem Loch zu sitzen, sind diese Stifte so konzipiert, dass sie sich am Boden ausbreiten oder aufweiten, wodurch ein mechanischer Haken entsteht, der die beiden Materialien ohne zusätzliche Teile miteinander verbindet. Diese Methode, bekannt als In-situ-Pin-Caulking (Stiftverfüllung), kombiniert das Durchstechen eines Lochs, das Einführen des Stifts und das Aufweiten zu einem Kopf in einem einzigen, schnellen Bewegungsablauf.

Die Herausforderung besteht darin, dass sich der Stift während dieses Prozesses verändert. Er beginnt als massives Stück Metall und wird gezwungen, sich zu verformen, während er in den Kunststoffverbundwerkstoff eindringt. Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wollten verstehen, wie die ursprüngliche Form des Stifts und die Anordnung mehrerer Stifte die Endfestigkeit der Verbindung beeinflussen. Sie verglichen zwei spezifische Designs: einen standardmäßigen, massiven zylindrischen Stift und einen „selbstbohrenden“ Stift, der dünne Wände besitzt, die sich beim Hineindrücken wie Blütenblätter nach außen ausbreiten sollen. Sie testeten diese Stifte in verschiedenen Mustern, von einem einzelnen Stift bis hin zu Gruppen von vier, wobei sie sie mit einem Glasfaserverbundkunststoffblech verbanden. Das Ziel war zu sehen, ob die Art und Weise, wie die Stifte angeordnet waren, die Kraft beeinflusste, die benötigt wurde, um die Verbindung herzustellen, und wie viel Gewicht die endgültige Verbindung tragen konnte.

Die Forscher fanden heraus, dass der selbstbohrende Stift signifikant effizienter war als der massive Stift. Da sich die dünnen Wände des selbstbohrenden Stifts leicht nach außen biegen konnten, war weniger Kraft erforderlich, um durch das Material zu dringen und den Verriegelungshaken zu bilden. In der größten Testgruppe mit vier Stiften benötigte das selbstbohrende Design fünfundzwanzig Prozent weniger Kraft, um die Verbindung herzustellen, als der massive Stift. Trotz der Tatsache, dass weniger Energie aufgewendet wurde, um die Verbindung herzustellen, erzeugten die selbstbohrenden Stifte einen Haken, der genauso breit, wenn nicht sogar etwas breiter war als der durch den massiven Stift erzeugte. Dies bedeutet, dass die Verbindung nicht schwächer war; tatsächlich war sie stärker. Als die Forscher die Verbindungen auseinanderzogen, konnten die selbstbohrenden Stifte wesentlich mehr Gewicht halten. In der Vier-Stift-Anordnung konnte die selbstbohrende Verbindung fast die dreifache Zugkraft und die anderthalbfache Scherkraft im Vergleich zur massiven Stiftverbindung tragen.

Eine entscheidende Entdeckung war, wie sich die Stifte verhielten, wenn sie eng beieinander platziert wurden. Bei den massiven Stiften hing die Festigkeit der Verbindung stark davon ab, wie sie relativ zur Richtung der Fasern im Kunststoffblatt angeordnet waren. Wenn die Stifte entlang der Fasern aufgereiht waren, war die Verbindung schwächer, als wenn sie quer zu den Fasern nebeneinander platziert wurden. Dies geschah, weil die massiven Stifte auf Reibung und der Art und Weise basierten, wie der Kunststoff sie umschloss, was wiederum durch das umgebende Material beeinflusst wurde. Die selbstbohrenden Stifte verhielten sich jedoch anders. Ihre Festigkeit blieb konsistent, unabhängig davon, wie sie angeordnet waren. Dies deutet darauf hin, dass der Verriegelungsmechanismus des selbstbohrenden Stifts primprimär durch die Form des Stifts selbst nach dessen Formung bestimmt wird und nicht durch die komplexe Wechselwirkung mit den umgebenden Fasern. Die dünnen Wände des selbstbohrenden Stifts breiteten sich aus, um einen Haken zu bilden, der das Material effektiv greift, ohne so empfindlich auf die lokale Anordnung der Fasern zu reagieren.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass der selbstbohrende Stift eine überlegene Lösung für das Verbinden dieser gemischten Materialien bietet. Er erreicht eine stärkere, zuverlässigere Verbindung bei gleichzeitig geringerem Kraftaufwand für die Herstellung. Diese Effizienz ist besonders wichtig für die Skalierung auf größere Strukturen, bei denen der Einsatz vieler Stifte notwendig ist. Die massiven Stifte wurden weniger effizient, je mehr sie hinzugefügt wurden, da sie mehr Kraft für jeden zusätzlichen Stift erforderten, ohne dass es einen proportionalen Gewinn an Festigkeit gab. Die selbstbohrenden Stifte behielten ihre Effizienz bei und lieferten für jede aufgewendete Krafteinheit mehr Festigkeit. Dies macht sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für industrielle Anwendungen, bei denen leichte Multimaterial-Komponenten schnell und zuverlässig montiert werden müssen, wie etwa in der Automobilindustrie. Die Forschung hebt hervor, dass die Geometrie des Stifts nach seiner Formung entscheidend für die Festigkeit der Verbindung ist, und nicht nur die Form des Stifts, bevor er in das Material gedrückt wird.