Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte

Durch die Kombination unterschiedlicher metallischer Werkstoffe in Form von stoffschlüssigen Werkstoffverbunden aus Stahl und Aluminium bzw. Titan und Aluminium lassen sich maßgeschneiderte Konstruktionen mit optimierten Eigenschaften herstellen. Sowohl die Nahtgeometrie als auch das lokale Werkstoffverhalten werden durch die Prozessparameter beim Schweißen beeinflusst. Eine Kopplung von Prozess-, Gefüge- und Struktursimulation unter Berücksichtigung der lokalen Werkstoffzustände und der sich ausbildenden Nahtgeometrie zur Beurteilung der quasi-statischen Festigkeit laserstrahlgeschweißter Hybrid-Verbindungen kann die Anzahl aufwendiger Versuchsreihen reduzieren und so die Wirtschaftlichkeit von Hybridstrukturen erhöhen und die weitere Ausnutzung von Leichtbaupotenzial ermöglichen.

• Methodik zur effizienten Berechnung der Nahtgeometrie in einer Prozesssimulation
• Modelle und Werkstoffdaten zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens
• Schweißstrukturmodell zur Ermittlung der lokalen Werkstoffzustände nach dem Schweißen

Ansprechpartnerin: Dipl.-Ing. Annika Barr

Durch die Kombination von unterschiedlichen metallischen Werkstoffen lassen sich Strukturbauteile mit maßgeschneiderten Eigenschaften einstellen. Mit dem Verbinden derartiger Werkstoffe gelingt es, gezielt Einfluss sowohl auf die lokalen als auch auf die globalen Struktureigenschaften zu nehmen, was gerade im Leichtbau zu attraktiven Lösungsansätzen führt. Während Titanlegierungen vor allem hohe Festigkeiten und eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen, sind Aluminiumlegierungen wegen ihrer deutlich geringeren Dichte und der daraus resultierenden Möglichkeiten zur Gewichtsoptimierung insbesondere für den Flugzeug- und Automobilbereich von großem Interesse. Beim Verbundstrangpressen tritt im Gegensatz zu gängigen Fügeverfahren wie beispielsweise dem Schmelzschweißen keine Beeinträchtigung des Werkstoffgefüges in Form von Wärmeeinflusszonen, Porenbildung oder Grobkornbildung auf. Somit stellt das Verbundstrangpressen eine interessante Alternative zur Verbindung von Aluminium- und Titanbasiswerkstoffen dar. Die beim Verbundstrangpressen auftretenden werkstoffkundlichen Zusammenhänge sind mit Blick auf eine gezielte Beeinflussung des kritischen Bereiches der Bindungszone bislang jedoch noch weitestgehend unerforscht. Ziel des Vorhabens ist, die Kenntnisse zu der Anbindung der beiden Werkstoffe zu vertiefen und die Grenzen des Verbundstrangpressens anhand von drei technisch relevanten Werkstoffkombinationen aufzuzeigen.

• Werkstoffkundliche Analyse der Bindungszone unter Berücksichtigung des Ausgangszustandes der Verbundpartner und der durch den Pressprozess hervorgerufenen thermomechanischen Bedingungen
• Untersuchungen der Haftfestigkeit und Bewertung der Werkstoffverbunde

Ansprechpartnerin: Dipl.-Ing. (FH) Barbara Striewe

Bei der Entwicklung und Konstruktion von Leichtbaustrukturen finden zunehmend Kombinationen aus Verbundwerkstoffen und Metallstrukturen Verwendung, um die Bauteileigenschaften an die lokalen Anforderungen anzupassen. Derzeit erfolgt das Verbinden dieser Komponenten in der Regel über ein adhäsives oder mechanisches Fügen. Insbesondere im Hinblick auf gewichtsoptimierte, integrale Strukturen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften sind jedoch neue Konstruktions- bzw. Fügesituationen denkbar und wünschenswert.

Die Entwicklung integraler Bauweisen für hoch beanspruchbare und zuverlässige Aluminium-CFK-Übergangsstrukturen im Leichtbau ist daher Kernziel der DFG-Forschergruppe „Schwarz-Silber“ (FOR1224). Zu diesem Zweck werden die Aspekte Gestaltung, Auslegung, Herstellung und mechanische Eigenschaften grundlegend untersucht. Anhand von entsprechenden Verbindungskonzepten werden Aussagen zu deren Eignung hinsichtlich gewichtspezifischen Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit erarbeitet.

• Konzeption der CFK-Al-Verbindungen
• Auslegung und Fertigung der Verbindungen
• Prüfung und Analyse des Versagens für Zugbeanspruchung
• Untersuchung der Fertigungsmöglichkeiten

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Kai Schimanski

Das Thermoformverfahren eignet sich zur umformtechnischen Herstellung von Leichtbaustrukturen aus textilverstärkten thermoplastischen Kunststoffen und birgt auf Grund der kurzen Zykluszeiten und der Verwendung von Halbzeugen - Platinen mehrlagig textilverstärkter Thermoplaste („Organobleche“) - ein großes Potenzial für den Einsatz in Großserien. Obwohl die mit dieser Technologie hergestellten Leichtbauprodukte deutliche Vorteile gegenüber konventionell hergestellten Produkten erwarten lassen, ist das Verfahren heute nur in wenigen Nischen verbreitet. Verantwortlich für Vorbehalte gegenüber dieser Technologie sind Defizite in der Prozessbeherrschung, die eine wirtschaftliche Durchsetzung gegenüber konventionellen Technologien bisher verhindern.

Ziel des Vorhabens ist es daher, diese Defizite in der Prozessbeherrschung zu überwinden und die Thermoformtechnologie zur Herstellung von Leichtbaukomponenten für den Automobilund Flugzeugbau attraktiv zu machen. Die dafür notwendigen technologischen Entwicklungen aus dem Vorhaben münden in der Realisierung eines leistungsfähigen und sicheren Thermoformprozesses. Im Laufe des Projekts soll u. a. eine schnelle, leistungsfähige Methode zur numerischen Simulation des thermo-mechanischen Umformprozesses entwickelt werden. Dabei werden Vorgänge außerhalb und innerhalb des Organoblechs betrachtet. Äußere Einflüsse sind die Temperierung des Werkzeugs, der Pressendruck und die durch das Trennmittel beeinflussten Haft-Gleit-Eigenschaften zwischen Werkstück und Werkzeug. Innere Einflüsse sind unter anderem die Kristallisation der Thermoplastmatrix während der Abkühlung und das Drapieren des Verstärkungstextils in die gewünschte Form. Mit dem Simulationstool lässt sich außerdem das Werkzeug in einem iterativen Verfahren auslegen. Folgende übergeordnete Ziele sollen insgesamt durch das Projekt realisiert werden:  

• Gezielte Temperaturführung für den Umformprozesses, bestehend aus einer berührungslosen Temperaturmessung und temperaturgeregelten Formwerkzeugen   
• Steuerung der thermischen sowie reibungsbedingten Wechselwirkungen zwischen Bauteil und Werkzeug durch angepasste Trennmittel-Systeme
• Simulationswerkzeug für die Auslegung, Analyse, Optimierung von Thermoformprozessen und zur Auslegung von verzugskompensierenden Werkzeugen

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Kai Schimanski

Die Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen erfolgt durch eine Wärmebehandlung, bei der sich insbesondere der Abschreckprozess entscheidend auf die resultierenden Festigkeitseigenschaften auswirkt. Zur Einstellung höchster Festigkeiten ist eine hohe Abschreckgeschwindigkeit nach dem Lösungsglühen erforderlich, die mit einer Tauchkühlung im Wasserbad realisiert werden kann. Diese führt allerdings zu inhomogenen Abkühlverläufen und damit zu Verzügen, die oft nach der Wärmebehandlung durch aufwendige Prozesse beseitigt werden müssen. Alternativ wird mittels Gasabschreckung ein homogener Abkühlverlauf realisiert, allerdings sind die erzielbaren Abschreckintensitäten für abschreckempfindliche Al-Legierungen und größere Querschnittsabmessungen nicht ausreichend, um die erforderlichen Festigkeitseigenschaften erzielen zu können.

Das Sprühkühlen in flexiblen Düsenfeldern kombiniert die Vorteile einer hohen Abschreckintensität zur Einstellung höchster Festigkeiten mit einem homogenen Abkühlverlauf, welcher zu geringeren Verzügen führt. Der Einsatz eines Zweiphasensprays Wasser/ Luft bietet die Möglichkeit unterschiedliche Abschreckintensitäten über die Bauteilgeometrie einzustellen und somit gezielt die mechanischen Eigenschaften an das Beanspruchungsprofil des Bauteils anzupassen. Durch eine Variation der Phasen (100 % Luft bis 100 % Wasser) ergibt sich die Möglichkeit der partiellen Ausscheidungshärtung von besonders beanspruchten Bereichen eines Bauteils sowie eine homogene Verteilung der Abschreckintensität über die Bauteilgeometrie, die eine Verzugsminimierung mit sich bringt.         

• Konstruktion von flexiblen Düsenfeldern für die Abschreckung von Bauteilen auf Basis numerischer Strömungssimulationen (CFD) 
• Anpassung der mechanischen Eigenschaften an das Beanspruchungsprofil von Bauteilen mittels partieller Verteilung der Abschreckintensitäten 
• Verzugsminimierung durch lokale Variation der Abschreckintensität unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie und der lokalen Beanspruchung

Ansprechpartnerin: Dipl.-Ing. Andrea Rose

Aluminiumlegierungen werden heutzutage vor allem in modernen Konstruktionselementen verwendet. Wegen der geringen Dichte sind Aluminiumlegierungen zwar Standardwerkstoffe für den Leichtbau, jedoch sind sie ohne zusätzliche Randschichtbehandlung nur begrenzt als Hochleistungswerkstoff einsetzbar. Die Elektronenstrahl-Mehrprozesstechnologie stellt eine vielversprechende Möglichkeit zur Erzeugung von verschleißfesten Randschichten von Aluminiumstrukturen dar.

• Verschleißschutz von Aluminiumstrukturen
• Reduzierung des Fertigungsaufwandes durch Mehrprozesstechnologien
• Flexible Prozessführung durch unterschiedliche technologische Prozesse an verschiedenen Einwirkorten mit nur einem Elektronenstrahl

Ansprechpartnerin: Dipl.-Ing. Andrea Rose

Nach der Wärmebehandlung von Aluminium Basiswerkstoffen können Verzüge in nicht unerheblichem Maße ebenso wie im Rahmen von Zerspanprozessen auftreten. Zur Untersuchung dieses Verzugsverhaltens bietet sich die Methode der systemorientierten Prozessanalyse an, die im Rahmen des SFB 570 „Distortion Engineering“ entwickelt wurde und die sich mit Blick auf die Ableitung von Strategien zur Verzugsbeherrschung als sehr erfolgversprechend erwiesen hat. Auf Basis dieses Ansatzes werden im Rahmen dieses Projektes die Prozessketten industrierelevanter Aluminiumbasiswerkstoffe hinsichtlich der Verzugspotenziale systematisch untersucht, um das erforderliche Verständnis für die Verzugsmechanismen zu erlangen. Das Ziel besteht darin, praxisgerechte Verzugskompensationsstrategien zu erarbeiten sowie eine Reduzierung von Materialeinsatz, Zerspanungsaufwand und eine erhöhte Prozesssicherheit zu realisieren.

• Analyse der Einflussgrößen auf den Verzug bei der Zerspanung und Wärmebehandlung von Strukturkomponenten aus Al-Basislegierungen
• Ermittlung der Wechselwirkungen der Einzelprozesse Zerspanung und Wärmebehandlung
• Entwicklung von Strategien zur Verzugskompensation unter Berücksichtigung industrieller Prozessketten

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Ole Karsten

Die fortschreitende Miniaturisierung mechanischer Bauteile z.B. im Automobilbereich macht die Entwicklung von Prozessketten zur Fertigung von Mikrobauteilen in großen Stückzahlen erforderlich. Das Ziel des im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 747 „Mikrokaltumformen“ laufenden Teilprojektes ist einerseits die Schaffung günstiger Voraussetzungen für die Kaltumformung der Mikrohalbzeugen und zum anderen die Realisierung optimaler Gebrauchseigenschaften der fertigen Mikrobauteile. Mit der Wärmebehandlung der aus aushärtbaren Aluminiumlegierungen, austenitischen Stählen und ferritisch-perlitischen Stahlsorten gefertigten Teile ist ein weites Anwendungsspektrum vorgesehen. Je nach Art des Werkstoffs werden unterschiedliche Wärmebehandlungsverfahren untersucht. So soll das Härten von Mikrobauteilen aus Stahl in einer neu entwickelten Rohrofenanlage nach dem Prinzip „Wärmebehandlung im Fall“ durchgeführt werden.

• Entwicklung von Prozessketten zur Fertigung von Mikrobauteilen in großen Stückzahlen
• Entwicklung neuer Technologien zur Wärmebehandlung (z.B. im Fall) und Integration in die Prozesskette
• Untersuchung des Einflusses von Wärmebehandlungsparametern auf die Bauteileigenschaften

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Roland von Bargen