Forming behaviour of multilayer metal/polymer/metal systems

Harhash, Mohamed Abd El Hamid Mohamed

Due to the growing demands to reduce the fuel consumption and improve the environmental impact of the vehicles, developing alternative lightweight materials plays an essential role. Here, Metal/pol-ymer/metal (MPM) multilayered composite materials are an innovative substitute to the used com-mercial sheets. MPM provide the desired lightweight potential with comparable structural stiffness in addition to an improved thermal and acoustic isolation properties. The current study is concerned with providing design guidelines and fundamental correlations regarding the production and shaping of low-density, flat, multi-layered and formable MPM systems. With the aid of the proposed investi-gation approaches, it was possible to produce tailored MPM following an ascending scaling approach starting from the monolithic materials up to multilayered structures. A thermoplastic polyolefin foil with different thicknesses was common in the produced MPM, as it offers an outstanding forming potential at room temperature. In order to describe the correlation between the characteristic properties of the skin/core layers and their influence on the forming be-haviour, diverse skin sheet materials, thicknesses and mechanical properties were considered. They include stainless, dual-phase and deep-drawable steel grades in addition to aluminium and titanium ones for different application fields. Furthermore, the applied production technology by roll bonding allowed the flexibility tailoring arbitrary MPM combinations via utilizing a compatible metal/polymer adhesive agent. Symmetric MPM systems (same skin sheet grade and thickness) and asymmetric ones were produced and characterized aiming at better understanding the forming behaviour for diverse MPM structures. In addition to determining the characteristic properties of the monomaterials – like the mechanical properties, bending and deep drawability, and forming limit curves – additional specific properties of the MPM, like the adhesion quality and service life durability, were evaluated as well. Accordingly, the principal correlations could be derived for predicting and interpreting the forming behaviour. The metal/polymer interface and failure surface showed an outstanding durable adhesion quality that assured delamination-free forming operations that was confirmed by the performed experiments. Furthermore, the mechanical tensile properties were correlated primarily to the skin/core thickness ratio and the MPM symmetry and additionally could be verified with simple approaches like the rule of mixtures. The formability in terms of the deep drawability and the stretch forming showed a signif-icant correlation with the MPM structure. The limiting drawing ratio (LDR) was reduced for higher core/skin thickness ratios and became more limited for thinner skin sheets. The formability is signif-icantly reduced if the polymer core volume fraction exceeds 50%. In this case, the interlaminar shear-ing of the MPM layers and the thickness irregularities are unavoidable. The formability was further restricted, if the thinner skin sheets are positioned as the outer skins in asymmetric MPM sheets either in three or five layered systems. Furthermore, the drawing forces and the LDR could be pre-dicted with a deviation up to ±15% utilizing empirical approaches. Additionally, the core of the MPM sheets was locally reinforced with metallic reinforcements (RE) to enable applying mechanical and thermal joining methods and to reduce the local thinning especially of the thin skin sheets used in the MPM. It was found that inhomogeneity regions were arisen at the RE boundary under deep drawing and stretching conditions leading to reduced forming limits of the skin sheets and accordingly earlier failure. Different parameters were considered like the RE size, geometry, location and type. It was found that the RE location and the MPM thickness or rather the skin sheet thickness are the critical parameters: when the RE is positioned close or in the forming or rather the bending region, the forming limits are significantly reduced. There is still a need to improve the forming behaviour of the reinforced MPM by means of further solution approaches to avoid the inhomogeneity regions at the interface between the RE and neigh-bour non-reinforced core and the shifting of the RE during forming. Further motivation is to develop approaches to predict the material flow especially in the surrounding of the reinforced regions con-sidering the RE size and type. The outlook is based in particular on the research needs and questions regarding the applicability of the of sandwich materials in a form (size and geometry) closer to the application scale utilizing the gained correlation from the current study. In this concern, investigating the crash behaviour of stand-ard profiles like a double hat or Z-profiles is essential.

Aufgrund der steigenden Anforderungen zur Reduzierung der Kraftstoffverbrauch und dementspre-chend verbesserter Umweltauswirkungen der Fahrzeuge spielt die Entwicklung neuer leichter Ma-terialien eine wesentliche Rolle. Metall / Polymer / Metall-Schichtverbunde (MPM) sind hier ein in-novativer Ersatz für kommerzielle metallische Werkstoffe. Zusätzlich bieten derartige MPM verbes-serte thermische und akustische Effekte bei vergleichbarer oder verbesserter spezifischer Struk-tursteifigkeit. Die vorliegende Studie beschäftigt sich mit der Herstellung sowie der Formgebung und Charakterisierung leichter, blechförmiger, mehrschichtiger MPM und der Formulierung von Design-richtlinien für ihren Einsatz. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Untersuchungsansätze ist es möglich, maßgeschneiderte MPM nach einem aufsteigenden Skalierungsansatz – beginnend mit den mono-lithischen Materialien bis zum mehrschichtigen Laminataufbau - herzustellen. Als Kernschicht der MPM wurde ein Thermoplast (PP/PE) in unterschiedlichen Dicken eingesetzt, das bei Raumtemperatur sehr gut formbar ist. Um ein Verständnis für das Zusammenspiel zwischen den Kennwerten der Deck- und Kernschichten und deren Auswirkung auf das Umformverhalten zu gewinnen, wurde der Deckschichtwerkstoff variiert. Dieses sowohl hinsichtlich der Materialsorte, sei-ner Oberflächenbeschaffenheit wie auch der Blechdicke. Es wurden Deckschichten aus rostfreien, Dualphasenstahl und Tiefzieh-Stahlsorten eingesetzt sowie vereinzelt auch Aluminium- und Titan-werkstoffe für unterschiedliche Applikationsansätze. Als Haftvermittler wurde ein 2-Komponenten-Epoxidharz eingesetzt, das für alle Materialverbindungen durch Walzen eine hervorragende Haft-festigkeit bot. Symmetrische (gleiche Deckschichtdicken bzw. gleiche Metallsorte) und asymmetri-sche MPM wurden entwickelt und charakterisiert. Charakteristische Kennwerte – wie mechanische Kennwerte, Biege- und Tiefziehfähigkeit, Grenz-formänderungskurven – wurden sowohl für die Monomaterialien wie auch für die MPM ermittelt und durch spezifische Kenngrößen wie Haft- und Dauerfestigkeit der Verbunde ergänzt. Damit ließen sich die wesentlichen Abhängigkeiten zur Vorhersage und Interpretation des Umformverhaltens ab-leiten. Die Grenzfläche zwischen Metall und Polymer zeigte eine hervorragende, beständige Haft-festigkeit, die einen delaminationsfreien Umformvorgang sicherstellt. Grundsätzlich lassen sich die mechanischen Kennwerte der MPM aus dem Zugversuch durch Anwendung der Mischungsregel ermitteln. Das Umformpotenzial hinsichtlich der Tief- und Streckziehbarkeit unterschiedlicher MPM ist signifikant abhängig vom jeweiligen Schichtaufbau. Das Grenzziehverhältnis beim Tiefziehen re-duziert sich mit zunehmendem Kern- /Deckschichtdickenverhältnis und abnehmenden Deckschicht-dicken. Das Umformpotenzial wird deutlich reduziert, wenn der Kernvolumenanteil 50% übersteigt. In diesem Fall sind die interlaminare Scherung der MPM-Schichten und Dickenunregelmäßigkeiten unter Tiefziehbedingungen unvermeidbar. Bei asymmetrischen MPM wird das Umformvermögen im Tiefziehprozess stärker eingeschränkt, wenn die dünneren Hautschichten als Außenschicht in so-wohl drei- als auch fünflagigen Systemen positioniert sind. Mit den verfügbaren Ansätzen können die Ziehkräfte und das Grenzziehverhältnis mit einer Abweichung bis zu ±15% vorhergesagt werden. Um mechanische oder auch thermische Verbindungen zu ermöglichen und eine lokale Dickenre-duktion der dünnen MPM-Deckschichten zu vermeiden bzw. zu vermindern, wurde der Schichtver-bund mit metallischen Einlagen (RE) lokal verstärkt. Beim Tief- und Streckziehen entstehen im Be-reich der RE-Ränder im MPM Inhomogenitäten, die das Umformvermögen einschränken und zu einer frühzeitigen Rissbildung führen. Variiert wurden für die Analyse neben der RE-Größe deren Geometrie, der RE-Typ und die Lage in der Umformzone. Hierbei erwiesen sich die RE-Position und die Dicke des MPM-Schichtverbundes als kritische Parameter. Eine signifikante Reduzierung des Umformvermögens tritt auf, wenn die metallische Verstärkung nahe oder im Biegebereich der Um-formung platziert wird. Dieses Thema ist noch nicht abschließend bearbeitet und steht im Fokus weiterer Untersuchungen. Diese haben zum Ziel, Algorithmen zur Vorhersage des Materialflusses - besonders in der Umge-bung der lokalen Verstärkungen – in Abhängigkeit von der Lage der Verstärkung, ihrer Größe und ihres Typs zu definieren. Neben der Verwendung als blechförmige Strukturen können die MPM ein erhebliches, vielversprechendes Einsatzpotenzial als Crashelemente aufweisen. Eine gezielte Steu-erung und Kontrolle der Energieaufnahme über die Einstellung der Schichtdickenverhältnisse der MPM ist hier möglich.

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Harhash, Mohamed: Forming behaviour of multilayer metal/polymer/metal systems. Clausthal 2017. GDMB Verlag.

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