CoJEC

„Composite+composite Joints with

Enhanced damage toleranCe“

1.3.2011 – 30.11.2013

• LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen (Koordinator)

Forschungsinstitution der AIT (außeruniversitär); Leichtmetalle und Verbundwerkstoffe, innovative

Verarbeitungsprozesse, Leichtbau, (Hybride) Fügetechnik Metall-Composite [www.lkr.at]

• FACC AG Unternehmen; Produktion und F&E von Faserverbundkomponenten für die Luftfahrtindustrie , TIER 1-Zulieferer von

Boeing & Airbus [www.facc.at]

• Fronius GmbH

Unternehmen; Produktion von Fügetechnik-Anlagen; Lichtbogen-Schweißtechnik CMT- &

CMT-pin Technologie für Hybridfügetechnik [www.fronius.at]

• Rübig GmbH & Co KG Unternehmen; Härte- und Beschichtungstechnik, Beschichtung von Titan [www.rubig.com]

• Fill GmbH Unternehmen; Maschinen- und Anlagenbau für komplexe Produktionsprozesse [www.fill.co.at]

• Research Center for Non-Destructive Testing GmbH (RECENDT)

Unternehmen; Materialcharakterisierung und zerstörungsfreien Werkstoffprüfung [www.recendt.at]

• Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Prüfung der Kunststoffe (MUL)

Forschungsinstitution; Forschung, Entwicklung, Prüfung der Kunststoffe [www.kunststofftechnik.at/]

Kurzdarstellung der Antragsteller/Konsortialpartner

Ziele des Projekts

Entwicklung von

• … metallischen Hilfsfügeteilen aus Titan mit CMT-Pins

• … einer automatisierten CMT-pin-Schweißeinheit

• … einer PEO-Beschichtung auf Basis Titan zum verbesserten

Stoffschluss zwischen CFK und 3D-Titan-Inserts

• … einer NDT-Charakterisierungsmethode der 3D-Grenzfläche CK-Titan

mit Hilfe von Laserultraschall

• … FEM-Modellen für Parameter- und Sensitivitätsanalysen

• Einsatz in CFK-Schnittstellen für erhöhte Verbindungsfestigkeit und

Schadenstoleranz.

• Einstellung der Prozesse an einfachen Coupons

– CMT-pin, PEO-Beschichtung, Automatisierung, LUS-NDT, …

• Design, Fertigung und Test von Prüfkörpern in 3 Schleifen

– CrNi-Stahl & Titan für stat. bzw. zykl.-dyn. Tests

• Charakterisierung der Prüflinge

• Numerische Untersuchung und Einflussstudien

• Projektbegleitende Evaluierung

Arbeitsplan/Zeitplan/Umsetzung

Titanium

Arbeitsplan/Zeitplan/Umsetzung

Projektstart: Projektende:

01.03.11 28.02.13

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

AP1 "Prozesse" Q1 Q2 Q3 Q4

AP2 "Fügestellendesign"

AP3 "Fertigungstechnik" M1

AP4 "Charakterisierung"

AP5 "Bewertung" M2 M3 M4

AP6 "Koordination"

Erreichte Ergebnisse

• Automatisierte Schweißeinheit für CMT-pin

– reproduzierbare Besetzung von Metall-Inserts mit Pins

– unterschiedliche Werkstoffe (CrNi, TiAl64)

– unterschiedliche Insertgeometrien (SLS, DLS, DCB/ENF, Langinsert)

Erreichte Ergebnisse

• Automatisierte Schweißeinheit für CMT-pin

– reproduzierbare Besetzung von Metall-Inserts mit Pins

– unterschiedliche Werkstoffe (CrNi, TiAl64)

– unterschiedliche Insertgeometrien (SLS, DLS, DCB/ENF, Langinsert)

CrNi-Stahl,t=0,6mm Titan64, t=3,0mm (ohne LASER) CrNi-Stahl,t=0,6mm CrNi-Stahl,t=0,6mm

Erreichte Ergebnisse

• Titan-Pin-Fertigung ohne Laser-Unterstützung

– Energieeffizient

– Moderate, eingeschränkte Pin-Geometrie

Titan64, t=0,4mm (ohne LASER)

Titan64, t=3,0mm (ohne LASER)

Erreichte Ergebnisse

• Herstellung von PEO-Schichten auf TiAl64

Al-Oxid

Titan-Oxid

per PEO

TiAl64

REM

Erreichte Ergebnisse

• Fertigungskonzept zur Herstellung von

– SLS, DLS, DCB-/ENF-Prüfkörpern

– mit / ohne Pins

– CrNi-Stahl bzw. TiAl64-Legierung

– unterschiedliche Oberflächen

• Statische und zykl. dynamische Tests

– der hergestellten Prüfproben-Serien (SLS, DLS, DCB/ENF)

– mit Ergebnisbeurteilung /-analyse

Erreichte Ergebnisse

(exemplarische Beispiele)

Fertigungskonzepte Prüfkörper

Single-Lap-Shear (SLS)

Double-Lap-Shear (DLS)

Double-Cantilever-Beam (DCB/ENF)

Ergebnisse

Erreichte Ergebnisse

• Routine für Kohäsivzonen-Parameter-Bestimmung

– Parameter-Bestimmung von CZ-Parameter für CFK-Titan-Interface

– automatisierte Routine in ANSYS WB oder Kopplung Ansys-LS-Opt.

• Numerische Abbildung von SLS-CoJEC Verbindung

– CAD-parametrisiertes nicht-lineares Teilmodell

– Verbesserte Materialmodelle zur Berücksichtigung von Harznestern

– Berücksichtigung von Kugelpin-Geometrien

– Parameterstudien (Kugelpin-Anordnungen) & Auszugsverhalten

Titan-CFK-Interface CZ-Parameter

CAD-parametrisiertes SLS Teilmodell

Erreichte Ergebnisse

(exemplarische Beispiele)

J. Kronsteiner, Parameter Identification by Optimization, Master Thesis, Juni 2013

R. Thakkar, Ball head pin reinforced composite to composite single lap shear joint – Modelling, Evaluation, and Parameter study, Master Thesis, January 2013

Angestrebte/Umgesetzte Verwertung

Die FACC AG steht für die Verwertung der CoJEC-Ergebnisse in der Luftfahrtbranche an

vorderster Front. Das Projekt CoJEC erlaubt es das Know-how der beteiligten

Projektpartnern in die Entwicklung der neuartigen Fügetechnik einzubringen und deren

Kompetenztechnologien CMT-pin, PEO, LUS-NDT, Prozess-Automatisation zu

präsentieren.

EADS Deutschland Innovation Works (Ottobrunn) konnte als transnationaler (nicht

geförderter) Partner für das Projekt CoJEC gewonnen werden. Dies bietet den CoJEC-

involvierten österreichischen Projektpartnern die Chance zur Präsentation der

Kompetenztechnologien CMT-pin, PEO, LUS-NDT, Prozess-Automatisation sowie den

Zugangs zum Schwesterkonzern Airbus. EADS beobachtet und testet den Einsatz der

CMT-pin-Technologie in eigens geführten Untersuchungen. Erkenntnisse daraus werden

mit dem CoJEC Konsortium geteilt.

Angestrebte/Umgesetzte Verwertung

Bachelor-Thesis:

„Hybrid Joining“, Bachelor Thesis of Dominik Inschlag, FH Technikum Wien, AIT-LKR, Feb. 2012.

Master-Thesis:

„Ball head pin reinforced composite to composite single lap shear joint - modeling, evaluation and parameter

study”, Master Thesis of R. Thakkar, Universität Duesburg-Essen, AIT-LKR, Wien, January 2013.

„Parameter Identification by Optimization”, Master Thesis of J. Kronsteiner, University of Applied Siences

Upper Austria, AIT-LKR, Wien, July 2013.

„Experimentelle Basischarakterisierung einer neuen Fügetechnologie mit erhöhter Schadenstoleranz für

endlosfaserverstärkte Kunststoffe”, Master Thesis of T. Unger, Montanuniversität Leoben LWPK, Nov. 2013.

PhD-Thesis:

S. Ucsnik, Development, Experimental and Numerical Investigations of a Novel Metal to Composite Joint Technology, University of Vienna, Sept. 2013.

Angestrebte/Umgesetzte Verwertung

Publications:

„10 Jahre TAKE OFF, das österreichische Luftfahrtforschungstechnologieprogramm, Entwicklungen –

Nutzen – Herausforderungen“, FACC AG, 2012, www.ffg.at/sites/default/files/facc_10_jahre_luftfahrtforschung.pdf

S. Ucsnik, „An innovative, hybrid composite to metal joining solution“, AIT Mobility Talks, Wien April 2011.

M. Fleischmann, J. Tauchner, S. Ucsnik, Benchmarking of a Novel Lightweight Metal-Composite-Joint

Technology, Poster presentation “28th Danubia-Adria-Symposium on Advances in Experimental Mechanics”,

Siófok (H), Sept. 2011.

S. Ucsnik, J. Tauchner, M. Fleischmann, A. Waldhör, Mischbau-Fügetechnik für Metall-Composite-

Lasteinleitungen, Lightweight Design Vol. 2 (2013), pp. 24.

S. Ucsnik, J. Tauchner, M. Fleischmann, Vergleich von Mischbau-Fügetechniken am Beispiel einer Metall-

CFK-Lasteinleitung aus der Luftfahrt, 7. Ranshofener Leichtmetalltage, Gmunden (A), Nov. 2012.

S. Stelzer, S. Ucsnik et. al. „Novel Composite-Composite Joining Technology with Through Thickness

Reinforcement for Enhanced Damage Tolerance“, 19th International Conference on Composite Material

(ICCM 19), Montréal (CA), July 28th 2013.

Angestrebte/Umgesetzte Verwertung

Publications:

S. Ucsnik, S. Stelzer, H. Sehrschön, R. Gradinger „Composite to Composite Joint with Lightweight Metal

Reinforcement for Enhanced Damage Tolerance“, 16th European Conference on Composite Material (ECCM

16), Seville (E), June 22nd-26th 2014, Abstract submitted.

S. Stelzer, S. Ucsnik „Fatigue behavior of through the thickness reinforced joints“, 16th European Conference

on Composite Material (ECCM 16), Seville (E), June 22nd-26th 2014, Abstract submitted.

J. Kronsteiner, S. Ucsnik „Determination of input parameters for a mix-mode cohesive zone formulation in a

novel metal-CFRP-joining interface“, 16th European Conference on Composite Material (ECCM 16), Seville

(E), June 22nd-26th 2014, Abstract submitted.

Patenteinreichungen:

RECENDT und Fill: „Verfahren und Vorrichtung zur Laser-optischen Erfassung einer Oberflächenbewegung

einer Probe “, A 1171/2012.

Angestrebte/Umgesetzte Verwertung

Patenteinreichungen:

LKR und Fill: R. Gradinger, S. Ucsnik, H. Sehrschön, „Verbindungselement“, A50492/2013, 6th August 2013.

Antrag bei call TAKEOFF 2013: „Composite+composite Joints with Enhanced damage toleranCe CoJEC -

Supplementary investigations”, Lead: LKR, Partner: Fill, MU Leoben LWPK; Assoziierte Partner: Restliches

CoJEC-Konsortium (LOI).

Dr. Stephan Ucsnik

Mobile: +43 664 825 1404

Email: stephan.ucsnik@ait.ac.at

Dipl.-Ing. Rudolf Gradinger

Mobile: +43 664 815 7907

Email: rudolf.gradinger@ait.ac.at

LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH,

Department Mobility,

Austrian Institute of Technology (AIT)