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    A fully coupled thermomechanical 3D model for all phases of friction stir welding
    (2016) Hoßfeld, Max
    Although friction stir welding (FSW) has made its way to industrial application particularly in the last years, the FSW process, its influences and their strong interactions among themselves are still not thoroughly understood. The lack of understanding mainly arises from the adverse observability of the actual process with phenomena like material ow and deposition, large material deformations plus their complex thermo-mechanical interactions determining the weld formation and its mechanical properties. A validated numerical process model may be helpful for closing this gap as well as for an isolated assessment of individual influences and phenomena. Hereby such a model will be a valuable assistance for process and especially tool development. In this study a Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) approach with Abaqus V6.14 is used for modeling the whole FSW process within one continuous model. The resolution reached allows not only simulating the joining of two sheets into one and real tooling geometries but also burr and internal void formation. Results for temperature fields, surface and weld formation as well as process forces are shown and validated.
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    Sonnenuhren : ein Beitrag zur Konstruktion und Geschichte; Ausstellung in der Hessischen Landes- und Hochschulbibliothek Darmstadt im Schloß vom 12. Sept. bis 31. Okt. 1980
    (1980) Stephan, Werner
    Sonnenuhren waren für den Bearbeiter dieser Ausstellung und des Kataloges zunächst kein Thema, unter dem er sich eine Ausstellung vorstellen konnte. Solange jedenfalls nicht, bis er vor etwa zwei Jahren bei Ordnungsarbeiten in der Karten- und Plansammlung der Hessischen Landes- und Hochschulbibliothek Darmstadt Ausschneidebögen für Sonnenuhren entdeckte. Aus einer Spielerei, dem Zusammensetzen der Bögen zu Blocksonnenuhren, reifte allmählich die Idee, eine Ausstellung vorzuschlagen. Dem Charakter einer Bibliothek entsprechend sollten hauptsächlich Bücher gezeigt werden. Sehr schnell ließ sich anhand des Sachkatalogs feststellen , daß neuere Literatur dazu nicht vorhanden war. Nur durch die Aufstellungssystematik Andreas A. E. Schleiermachers, der von 1811 - 1830 Hofbibliothekar im Darmstädter Schloß war, erfuhren wir, daß die Bibliothek ältere Literatur zu diesem Thema in größerer Auswahl besitzt. Ein Teil davon ist jetzt in der Ausstellung zu sehen. Beim Bearbeiten der Bücher stellte sich, für den Bearbeiter überraschend, heraus, daß es von ca. 1500 an durchaus üblich war, den theoretischen Werken Ausschneidebögen beizulegen. Diese ermöglichten es auch dem interessierten Laien als Käufer des Buches, Sonnenuhren zu bauen. Zumeist waren es Blocksonnenuhren, die so entstanden. Sie erfüllten neben ihrer Aufgabe, die Zeit anzuzeigen, auch den Zweck eines Schmuckstückes. Intere ssanterweise lag gerade zu diesem Zeitpunkt ein Buch aus Amerika vor, das gerade unter diesen Aspekten eine Reihe von Ausschneidebögen neu konstruierter Sonnenuhren anbietet. Es ist dies das Werk von Robert Adzema und Mablen Jones: "The great sundial cutout book", New York, Hawthorn Books 1978. Da die Bibliothek nur Literatur zur Konstruktion von Sonnenuhren besitzt, die nach 1520 erschienen ist, können frühere Bauanleitungen nicht dokumentiert werden. Doch ist durch die Ausstellung gerade eine Zeit des Übergangs dokumentiert. Denn auch nach der Erfindung der Räderuhr haben sich die Menschen die Zeit von der Sonnenuhr geben lassen. Ja bis ins 19. Jahrhundert hinein stellten die Türmer der Städte mittags die Uhren nach der Sonnenuhr. Die Vielfalt der bis ca. 1800 entstandenen Konstruktionsanleitungen überrascht. Danach verliert die Sonnenuhr an Bedeutung, der technische Fortschritt überholt eines der ältesten technischen Geräte. Erst in unserer Zeit beschäftigt man sich wieder mehr mit der Konstruktion von Sonnenuhren, wie an der Fülle der neueren Literatur abzulesen war. Auch Ausstellungen über alte Uhren sind in letzter Zeit häufig zu bcobachten. Beides hängt wahrscheinlich mit dem Trend zusammen, aus einer vertechnisierten Welt zurückblickend, Geschichte neu wahrzunehmen. Dazu gehört sicherlich auch der Bereich der Technikgeschichte, von dem ein Teil hier dokumentiert wird. Durch freundliche Unterstützung öffentlicher und privater Leihgeber konnten der Literatur sehr schöne Originalinstrumente gegenübergestellt werden. Sie tragen dazu bei, daß der Eindruck von der Formenvielfalt, deren sich die "Kompaßmacher" seit der Renaissance im Bau von Sonnenuhren bedienten, noch verstärkt wird. Die Sonnenuhr war sicherlich eines der ersten wissenschaftlichen Geräte des Menschen. Unter Wissenschaft wird dabei die Art der analytischen Forschung verstanden, die auf Zählen, Messen und exaktem Beschreiben beruht. Sonnenuhren in dem Sinne sind Objekte, die das Sonnenlicht oder den Schatten benutzen, um Informationen über dic Zeit, unseren Planeten, die Bewegung der Sterne oder die Ortsbestimmung auf der Erde zu geben. Die Benutzung der Sonnenuhr setzt eine vierdimensionale Weitsicht (drei Dimensionen plus Zeit) und die Vorstellung voraus, daß der Kosmos in Bewegung ist. Auch heutzutage ist diese Vorstellung nicht leicht. Um dem Besucher der Ausstellung und dem Leser des Kataloges eine Einführung zu geben, werden die astronomischen Gegebenheiten und das Prinzip der Sonnenuhr jeweils am Anfang erläutert. Im Katalog wird dieser Teil bei der Beschreibung der Ausstellungsstücke nicht wiederholt. Überrascht und erfreut waren wir durch das Interesse, das bereits die Vorbereitung der Ausstellung in der Öffentlichkeit gefunden hat. Durch eine Vorankündigung in den lokalen Zeitungen und einem Rundfunkinterview erhielten wir eine Reihe von Hinweisen auf Sonnenuhren an Gebäuden und in Gärten, die sich in Darmstadt und in der Umgebung befinden. Diese Uhren werden, soweit wir sie fotografieren konnten bzw. uns Fotos davon zur Verfügung standen, in einer Fotodokumentation in der Ausstellung gezeigt.
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    Projektabschlussbericht zum "Teilvorhaben Korrosionsverhalten" (FKZ 0325497B (MPA) + FKZ 0325497A (DLR)) des Verbundvorhabens "MS-Store - Flüssigsalzspeicher-Testanlage und neue Fluide"
    (2018) Kaesche, Stefanie; Rückle, Dagmar; Bauer, Thomas; Bonk, Alexander
    Ziel des Teilvorhabens „Korrosionsverhalten“ im Verbundprojekt MS-Store - Flüssigsalzspeicher-Testanlage und neue Fluide war es, Anforderungen an die zu verwendenden Werkstoffe, die durch hohe Temperaturen bei Energiespeichern in solarthermischen Kraftwerken auftreten, hinsichtlich des Korrosionsverhaltens zu untersuchen, um die Lebensdauer solcher Kraftwerke zu erhöhen, sowie substantielle wissenschaftliche Ergebnisse in diesem Anwendungsgebiet zu erhalten. Mittels Auslagerungsversuchen bei 560°C wurden die Abtragsraten für verschiedene Stähle in unterschiedlichen Nitratsalzmischungen in Abhängigkeit von der Auslagerungsdauer isotherm und zyklisch bestimmt. Im Anschluss wurden mittels diverser elektronenmikroskopischer und röntgenografischer Untersuchungsmethoden (FIB, REM, EDX; TEM; XRD) die Oxidschichtentwicklung und -beschaffenheit, die Phasenzusammensetzung der Oxidschicht, die Gefügestruktur des Grundwerkstoffs, sowie der erfolgte korrosive Angriff analysiert. Mittels elektrochemischer Prüfmethoden (OCP, IE, EIS) wurde das Korrosionsverhalten der Stähle in-situ bei Temperaturen zwischen 410 und 560°C und in Abhängigkeit der Reinheit der Salzschmelze analysiert, sowie die Stabilität der Oxidschichten evaluiert. Es zeigte sich eine eindeutige Überlegenheit der Korrosionsbeständigkeit der untersuchten Cr,Ni-Stähle gegenüber des hochwarmfesten Cr-Stahls, speziell in Salzschmelzen die Chloridgehalte ab 0,5 Gew.-% aufweisen. Weiterhin ließ sich eine eindeutige Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von der gewählten Temperatur nachweisen; die Beständigkeit ist bei 410°C deutlich höher, als bei 560°C. Die mehrlagigen Oxidschichten bestehen aus Cr,Fe-Mischoxiden, sowie reinen Cr-/Fe-Oxiden. Sie weisen eine hohe Porosität, sowie eine schlechte Haftung auf dem Grundmaterial auf. Nach langer Auslagerung entstehen zusätzlich Na,Fe-reiche Oxide. Im Grundmaterial bildeten sich durch Stickstoffeintrag aus der Salzschmelze an den Korngrenzen oder auch im kompletten Gefüge Gefügeveränderungen, in Form von Cr-Nitriden. Neuartige elektrochemische Untersuchungen in Nitratsalzschmelzen bei hohen Temperaturen wurden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) durchgeführt. Dabei wurde die Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von Temperatur, Salzreinheit und Beschaffenheit und Stabilität der Oxidschichten ermittelt. EIS eignet sich sehr gut, um schnell fundierte Aussagen über ein vorliegendes Korrosionssystem zu treffen und kann auch in anderen Schmelzen, sowie anderen Werkstoffen oder Parametern eingesetzt werden. Die quantitative Auswertung dieser Messmethode ist sehr komplex und benötigt anwendungsbasierte Weiterentwicklung. Dennoch konnte das Auftreten des Breakaway-Effektes mittels dieser Methodik bestätigt werden. Außerdem wurde die Tendenz von Chrom zur Lösung in der Salzschmelze festgestellt, sowie Änderungen im Nitrat/Nitrit-Verhältnis, bedingt durch Zersetzungsreaktionen der Salzschmelze beobachtet. Diese Effekte können zu veränderten Eigenschaften der Schmelze hinsichtlich ihrer Wärmespeicherkapazität, ihrer generellen Stabilität und ihrer Korrosivität führen. Die im Verlauf des Teilvorhabens gewonnenen Erkenntnisse erweitern den bisher in der Fachliteratur präsentierten Kenntnisstand des Korrosionsverhaltens von anwendungsrelevanten Stählen in Nitratsalzschmelzen deutlich. Sie ermöglichen eine gezielte Materialauswahl für Planer und Konstrukteure von solarthermischen Kraftwerken.
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    Experimentelle, analytische und numerische Untersuchungen des Rührreibschweißprozesses
    (2016) Hoßfeld, Max; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
    Mit dem Rührreibschweißverfahren steht seit einigen Jahren eine Fügetechnologie zur Verfügung, mit der viele fügetechnische Problemstellungen speziell beim Fügen von Aluminiumlegierungen gelöst oder vermieden werden können. Mittels Rührreibschweißen können sämtliche Aluminiumlegierungen zuverlässig, hocheffizient und mit einem sehr hohen Verbindungswirkungsgrad gefügt werden. Dabei weisen rührreibgeschweißte Verbindungen bereits ohne Nachbehandlung sehr gute statische und zyklische Festigkeiten auf, welche meist deutlich über jenen von Schmelzschweißverfahren liegen. Darüber hinaus ist das Verfahren hoch automatisierbar und kann direkt modular in andere Fertigungsverfahren integriert werden, wodurch große wirtschaftliche und prozesstechnische Potentiale entstehen. Auf Grund dieser positiven Eigenschaften wurde Rührreibschweißen in den letzten Jahren sehr schnell vom Anwender angenommen und findet aktuell eine rasche Verbreitung in den verschiedensten Branchen. Dabei erfolgte die Übernahme des Prozesses teils erheblich schneller als Forschung wie auch Anwendungsentwicklung der anwenderseitigen Umsetzung durch eine grundlegende Beschreibung des Prozesses folgen konnten. Dies wiederum führte dazu, dass heute noch teilweise erhebliche Lücken in Verständnis und wissenschaftlicher Beschreibung selbst elementarer Bestandteile des Prozesses bestehen. Ziel dieser Arbeit ist daher, zum erweiterten Verständnis des Rührreibschweißprozesses, seiner Wirkmechanismen und Phänomene von den physikalischen Grundlagen bis hin zum Bauteilverhalten beizutragen. Hierfür wird auf ein dreigliedriges Vorgehen aus analytischer und experimenteller Charakterisierung sowie numerischer Modellierung zurückgegriffen. Dabei dienen die erstgenannten Inhalte als Basis zur physikalischen Beschreibung und Abgrenzung der Prozessphänomene und zur späteren numerischen Beschreibung. Diese soll durch eine detaillierte und physikalisch korrekte Wiedergabe den Zugang zu den nicht direkt beobachtbaren Prozessphänomenen in der Fügezone ermöglichen. Da der Rührreibschweißprozess wesentlich durch Wechselwirkungen von mechanischer Prozesswirkung und Werkstoffverhalten dominiert wird, erfolgt nach der Darstellung prozesstechnischen Grundlagen zunächst eine Charakterisierung und Modellierung der verwendeten Aluminiumlegierungen Al Mg4,5Mn0,4 und Al Mg1SiCu (EN AW-5182 und 6061) und ihrer relevanten physikalischen Größen bei prozesstypischen Bedingungen. Hierauf bauen die analytischen und experimentellen Untersuchungen des Prozesses auf. Die Charakteristiken des Prozesses werden zunächst anhand der Entwicklung von Prozessleistung und Streckenenergie mit Überdeckungsgrad und Einschweißtiefe diskutiert, wobei die selbststabilisierenden Eigenschaften des Prozesses, die Kontaktinitiierung und die Rückwirkung der statischen und dynamischen Kräfte auf die Anlagentechnik gesondert berücksichtigt werden. Aus der Summe dieser Untersuchungen wird die Wichtigkeit des Reibkontaktes zwischen Werkzeug und Werkstück für Wärmeeinbringung und Materialfluss deutlich. Diesen Ergebnissen entsprechend folgt eine isolierte Untersuchung anhand von etwa 130 Reibversuchen mittels Telemetriesystem bei gleichzeitiger Messung der Temperaturen am Kontakt, welche durch entsprechende Schweißversuche ergänzt werden. Dabei kann nach dem Reibübergang eine Mehrlagenscherung sowie ein mitrotierender Verformungszylinder am Schweißwerkzeug festgestellt werden. Durch den dann werkstoffmechanisch dominierten Reibkontakt wird es möglich, das Grundprinzip der Viskoplastizität respektive das Werkstoffmodell zur Beschreibung des Reibkontaktes zu nutzen, wodurch typischerweise nötige Annahmen entfallen können. Auf der Basis der Untersuchungen der mechanischen Prozessinitiierung baut in der Arbeit die Analyse der beiden zentralen Prozessphänomene Wärmehaushalt und Materialfluss auf. Zur Analyse des Wärmehaushaltes erfolgt zunächst eine analytische Abgrenzung anhand von physikalischer Bilanzierung und Grundgleichungen. Dem schließen sich Untersuchungen von Fügetemperatur, typischen Temperaturprofilen wie auch konduktivem und konvektivem Wärmetransport in der Fügezone an. Ein weiterer Fokus liegt auf der Beschreibung von Kontakt, Wärmeübertragung und -aufteilung zwischen Werkstück, Spindel und Spanntechnik in Abhängigkeit von Pressung und Temperatur. Eng verbunden mit diesen Inhalten ist die Untersuchung des Materialflusses. Für diesen werden zunächst die Rand- und Kontinuitätsbedingungen hergeleitet und analysiert. Danach erfolgt eine experimentelle Untersuchung anhand von Querschliffen, Mikrostrukturentwicklung sowie eingebrachten Kupferfolien. Deren Verteilung in der Schweißnaht wird für verschiedene Einschweißtiefen Computertomographie analysiert, wobei die Selbstähnlichkeit der Materialströmungsregime am Werkzeug aber auch deren unterschiedliche Ausprägungen in Abhängigkeit der Einschweißtiefen deutlich werden. Aus den Untersuchungen resultieren detaillierte Aussagen zur Formierung der Fügezone mit bandförmigen Strukturen und Ablage des Werkstoffes hinter dem Werkzeug. Im Kontext erfolgt eine gesonderte Berücksichtigung von Einflussgrößen wie Rundlauftoleranz der Spindel, Werkzeuggeometrie und Prozessparametern. Da die Formierung quasi aller Schweißimperfektionen auf einen unzureichenden Materialfluss zurückgeführt werden kann, erfolgt eine Darstellung typischer Schweißfehler und deren Ursachen. Dabei kann durch die Analyse hochdynamischer Kraftanteile ein Zugang zu den lokalen Prozessphänomenen und eine Basis für eine Methodik zur Onlinefehlerdetektion aufgezeigt werden. Abgerundet werden diese Ergebnisse durch eine Beschreibung und Diskussion der Wirkung des Rührreibschweißprozesses auf die Festigkeits- und Bauteileigenschaften. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der prozessinduzierten Mikrostrukturentwicklung und der Beeinflussung der festigkeitssteigernden Mechanismen von Aluminiumlegierungen. Auf diesen Inhalten aufbauend erfolgt zur Erstellung der Simulationsmethodik zunächst eine Übersicht zu bestehenden Modellierungsansätzen sowie der zu berücksichtigenden Prozessphänomene. Die Modellierung erfolgt in der Arbeit mittels eines gekoppelten Euler-Lagrange-Ansatzes (CEL) und der Volume-of-Fluid-Methode teilweise gefüllter Zellen. Hierdurch wird es erstmals möglich, alle Prozessphasen in einem durchgängigen Modell sowie eine reale Stoßgeometrie zu simulieren. Mit Hilfe der Simulationsmethodik können die zentralen Phänomene wie auch Details und Einflüsse des Rührreibschweißprozesses detailliert vorhergesagt und analysiert sowie in Abhängigkeit von Prozessparametern, Randbedingungen und Werkzeuggeometrien optimiert werden. Ebenso wird es möglich, die Wirkung des Prozesses mit geometrischer und mikrostruktureller Ausprägung der Schweißnaht und Fehlerformierung vorherzusagen, wodurch die Optimierung der mechanischen Eigenschaften von rührreibgeschweißten Verbindungen möglich wird. Die simulativ ermittelten Prozesskräfte weisen eine sehr gute Übereinstimmung mit Experimenten auf, wobei die Abtastrate der Kräfte modernen NC-gesteuerter Anlagen entspricht.