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

Moderne techniek leunt steeds vaker op het mengen van verschillende materialen om lichtere, sterkere constructies te bouwen. Een veelgebruikte strategie houdt in dat metalen, die taai en ductiel zijn, worden gecombineerd met geavanceerde composieten bestaande uit continue vezels ingebed in kunststof. Deze vezelversterkte platen zijn ongelooflijk sterk in de richting van de vezels, maar kunnen bros zijn en moeilijk te verbinden met traditionele methoden. Het verlijmen ervan vereist lange wachttijden en een perfecte oppervlaktevoorbereiding, terwijl het boren van gaten om bouten of klinknagels in te brengen de belastende vezels doorsnijdt en zwakke punten creëert waar scheuren kunnen ontstaan. Om dit op te lossen, hebben ingenieurs zich gericht op een techniek waarbij kleine metalen pinnen direct vanuit de metalen plaat worden gevormd en in het composiet worden gedrukt. In plaats van alleen in een gat te zitten, zijn deze pinnen ontworpen om uit te spreiden of uit te waaieren aan de onderkant, waardoor een mechanische haak ontstaat die de twee materialen aan elkaar koppelt zonder dat er extra onderdelen nodig zijn. Deze methode, bekend als in-situ pin caulking, combineert het doorboren van een gat, het invoeren van de pin en het uitwaaieren tot een kop in één enkele, snelle beweging.

De uitdaging ligt in het feit dat de pin van vorm verandert tijdens dit proces. Het begint als een solide stuk metaal, maar wordt gedwongen te vervormen terwijl het de kunststof composiet binnendringt. Onderzoekers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zetten zich in om te begrijpen hoe de initiële vorm van de pin en de arrangement van meerdere pinnen de uiteindelijke sterkte van de verbinding beïnvloeden. Ze vergeleken twee specifieke ontwerpen: een standaard massieve cilindrische pin en een "zelfborende" pin die dunne wanden heeft die ontworpen zijn om zich naar buiten toe uit te spreiden als een bloemblad wanneer ze worden ingedrukt. Ze testten deze pinnen in diverse patronen, van een enkele pin tot groepen van vier, waarbij ze werden verbonden met een plaat van glasvezelversterkte kunststof. Het doel was om te zien of de manier waarop de pinnen waren gerangschikt de kracht veranderde die nodig was om de verbinding te maken en hoeveel gewicht de uiteindelijke verbinding kon dragen.

De onderzoekers ontdekten dat de zelfborende pin aanzienlijk efficiënter was dan de massieve pin. Omdat de dunne wanden van de zelfborende pin gemakkelijk naar buiten konden buigen, was er minder kracht nodig om door het materiaal te duwen en de vergrendelende haak te vormen. In de grootste testgroep met vier pinnen had het zelfborende ontwerp twintig vijf procent minder kracht nodig om de verbinding te maken dan de massieve pin. Ondanks dat er minder energie werd gebruikt om de verbinding te maken, creëerden de zelfborende pinnen een haak die net zo breed was, of zelfs iets breder, dan de haak gemaakt door de massieve pin. Dit betekent dat de verbinding niet zwakker was; het was zelfs sterker. Wanneer de onderzoekers de verbindingen uit elkaar trokken, konden de zelfborende pinnen veel meer gewicht dragen. In de vier-pin arrangement kon de zelfborende verbinding bijna drie keer de normale trekkracht en één en een half keer de afschuifkracht dragen in vergelijking met de massieve pin-verbinding.

Een cruciale ontdekking was hoe de pinnen zich gedroegen wanneer ze dicht bij elkaar werden geplaatst. Voor de massieve pinnen hing de sterkte van de verbinding sterk af van hoe ze waren gerangschikt ten opzichte van de richting van de vezels in de kunststof plaat. Als de pinnen in lijn met de vezels waren geplaatst, was de verbinding zwakker dan wanneer ze dwars op de vezels waren geplaatst. Dit gebeurde omdat de massieve pinnen vertrouwden op wrijving en de manier waarop de kunststof om hen heen werd samengeperst, wat werd beïnvloed door het omringende materiaal. De zelfborende pinnen gedroegen zich echter anders. Hun sterkte bleef consistent, ongeacht hoe ze waren gerangschikt. Dit suggereert dat het vergrendelingsmechanisme voor de zelfborende pin primair wordt bepaald door de vorm van de pin zelf nadat deze is gevormd, in plaats van door de complexe interactie met de omliggende vezels. De dunne wanden van de zelfborende pin spreiden zich uit om een haak te creëren die het materiaal effectief grijpt zonder zo gevoelig te zijn voor de lokale arrangement van de vezels.

De studie concludeert dat de zelfborende pin een superieure oplossing biedt voor het verbinden van deze gemengde materialen. Het bereikt een sterkere, betrouwbaardere verbinding terwijl er minder kracht nodig is voor de productie. Deze efficiëntie is bijzonder belangrijk bij het opschalen naar grotere structuren, waar het gebruik van veel pinnen noodzakelijk is. De massieve pinnen werden minder efficiënt naarmate er meer werden toegevoegd, waarbij er meer kracht nodig was voor elke extra pin zonder een evenredige winst in sterkte. De zelfborende pinnen behielden hun efficiëntie en leverden meer sterkte voor elke eenheid kracht die werd gebruikt om ze te vormen. Dit maakt ze een veelbelovende kandidaat voor industriële toepassingen waar lichtgewicht componenten van meerdere materialen snel en betrouwbaar moeten worden geassembleerd, zoals in de automobielindustrie. Het onderzoek benadrukt dat de geometrie van de pin nadat deze is gevormd degene is die er echt toe doet voor de sterkte van de verbinding, en niet alleen de vorm van de pin voordat deze in het materiaal wordt gedrukt.