04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Konzepte zur Übertragbarkeit von Prozessparametern des Rührreibschweißens(2016) Noveva, Radostina; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Der Einsatz von Aluminiumlegierungen hat sich als eine Schlüsselkomponente in zahlreichen Leichtbaukonzepten etabliert. Ein wichtiger Aspekt bei der industriellen Anwendung von Aluminiumwerkstoffen ist mit ihrer Schweißeignung verbunden. Das Rührreibschweißverfahren bietet eine einfache, umweltfreundliche und wirtschaftliche Methode zum Fügen von solchen Materialien. Die Integration dieses Verfahrens in den Fertigungsprozessketten kleiner und mittelständischer Unternehmen ist jedoch mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden. Dazu gehören beispielsweise die unzureichenden Informationen über die Randbedingungen des Schweißprozesses sowie die begrenzte Übertragbarkeit von Prozessparametern auf unterschiedliche Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Schweißparameterstudien an drei Aluminiumlegierungen (EN AW-5454-O, EN AW-5754-O und EN AW-6016) durchgeführt. In einer Reihe von Experimenten, realisiert an einer Rührreibschweißanlage und zwei Werkzeugmaschinen, konnten die verbindungsspezifischen Prozessfelder für die jeweilige Werkstoff-Blechdicken-Konfiguration ermittelt werden. Die Prozessfelder umfassen unterschiedliche Kombinationen der Hauptschweißparameter Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit des Schweißwerkzeugs sowie Anpresskraft Fz auf den zu schweißenden Halbzeugen. Die Eignung der Parametersätze für die gestellte schweißtechnische Aufgabe wurde anhand des Vergleichs der mechanischen und der mikrostrukturellen Eigenschaften der hergestellten Verbindungen beurteilt. Für jeden Versuchswerkstoff wurden gezielt zwei Gruppen von Parametersätzen gewählt. Mit der ersten Gruppe konnte keine direkte Übertragbarkeit der guten Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Verbindungen auf die unterschiedlichen Anlagen gewährleistet werden. In der zweiten Gruppe wurden Parametersätze betrachtet, mit denen, unabhängig von den verwendeten Schweißanlagen, eine wiederholbar gute Qualität der Verbindungen erzielt werden konnte. Die Wiederholung und die weiterführende thermographische Analyse solcher Parametersätze haben aufgezeigt, dass die Abweichungen in der Qualität der Schweißverbindungen bei einer relativ geringen Wärmeeinbringung in der Fügezone auftreten d.h., dass die unterschiedlichen Steifigkeiten der Versuchsanlagen nur bei ungünstigen Randbedingungen der Prozessführung eine messbare Reduktion der Qualität der Verbindungen verursachen. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss der Anlagensteifigkeit und der Positioniergenauigkeit beim Fügen von dünnen Halbzeugen und von Werkstoffen mit hoher Festigkeit zunimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden als Grundlage für die Entwicklung eines analytischen Modells verwendet. Letzteres beschreibt die Zusammenhänge zwischen den, beim Rührreibschweißprozess auftretenden Anpresskräften und dem Schweißsystem, das aus den zu fügenden Halbzeugen und der entsprechenden Schweißvorrichtung (Rührreibschweißanlage und/oder Werkzeugmaschine) besteht. Die Konzeption dieses Modells ermöglicht eine praxisnahe und einfache Ermittlung von Prozesskräften für unterschiedliche Anwendungsfälle, unter Berücksichtigung der Maschinensteifigkeit, der Abmessungen der Schweißwerkzeuge sowie der temperaturabhängigen Materialeigenschaften der Halbzeuge. Die Verknüpfung der o. g. Einflussgrößen erlaubt die deutliche Verbesserung bestehender Ansätze zur Übertragbarkeit von Rührreibschweißparametern.Item Open Access Simulationsmethodiken zur Beschreibung des Rissverhaltens an Abgasbauteilen unter thermomechanischer Ermüdungsbeanspruchung(2018) Schlegel, Jan; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)In der Verbrennungsmotorentwicklung macht das sogenannte Downsizing eine betriebsfeste Auslegung von Abgaskomponenten zunehmend schwieriger. Hier machen steigende thermomechanische Belastungen die Entstehung von Rissen an bestimmten, kritischen Stellen unvermeidbar. In der Regel beeinträchtigen jedoch nur Durchrisse die Funktion von Abgasbauteilen. Zu einer zuverlässigen Bauteilbewertung gehört daher die Beurteilung von Anrissen bezüglich des Ausbreitungspfads und der Wachstumsgeschwindigkeit. Da experimentelle Untersuchungen - gerade im Falle verschiedener Werkstoffund Geometriekandidaten - sehr kostspielig sind, sollen in dieser Arbeit Methoden zur rechnerischen Beschreibung von Rissen mittels FEM entwickelt werden. Im Rahmen der schriftlichen Ausarbeitung wird dies anhand des Werkstoffs D-5S und zweier Methoden von verschiedenartigem Ansatz dargestellt. Zunächst finden Versuche an einem Prüfstand für Prinzipproben, den sogenannten Zungenproben, statt. Dies umfasst auch metallographische Untersuchungen der Prozesszone und des Risspfads, um Aufschluss über die Eignung potentieller Berechnungsmethoden zu geben. Im Anschluss erfolgt auf dieser Basis die Entwicklung der verschiedenen Methoden. Das beinhaltet beispielsweise geeignete Rissfortschrittskriterien, die Einführung einer Zustandsgrößengewichtung oder die Rissrichtungsbestimmung. Die Parameterermittlung für die Rissfortschrittsmodelle, welche eine geraffte zeitliche Beschreibung ermöglichen sollen, findet über Rissfortschrittskurven der Prinzipproben statt. Da die Geometrie dieser Proben bewusst einfach gehalten ist, an komplexen Geometrien jedoch eine Vielzahl an Lastfällen auftreten können, muss eine Validierung der Modelle stattfinden. Dafür wird ein Turbinengehäuse ausgewählt, welches auf einem Heißgasprüfstand getestet und auf Risse untersucht wird. Durch die große Anzahl an Rissen kann anschließend eine Bewertung der vorgestellten Methoden stattfinden. Diese schließt neben der Prognosequalität auch deren Anwendbarkeit und Stabilität ein.Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Kontaktmechanik und Tribologie der konischen Schnittstelle zwischen Prothesenkopf und Prothesenschaft modularer Hüftgelenksendoprothesen(2023) Häußler, Kim Lars; Schmauder, Siegfried (Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.)Item Open Access Ermüdungsschädigung und Kurzrissausbreitung in nichtrostendem Stahl unter korrosivem Kraftstoffeinfluss(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2020) Benk, Zeynel; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)Komponenten der Benzindirekteinspritzung, die im Wesentlichen aus nichtrostenden Stählen hergestellt werden, werden auf dem weltweiten Markt häufig mit ethanolhaltigen Kraftstoffen eingesetzt. Dabei werden sie infolge regionaler Vorgaben und der Bioethanolherstellung bei unterschiedlicher Kraftstoffzusammensetzung und -qualität betrieben. Diese Randbedingungen können zu dem technischen Risiko führen, dass infolge der überlagerten potenziellen Kraftstoffkorrosion bei zyklisch-mechanischen Beanspruchung ein relevanter Schwingfestigkeitsabfall an kraftstoffführenden Komponenten entsteht. Dies lässt sich mit dem Phänomen der Schwingungsrisskorrosion in Verbindung bringen. Der breite Einsatzbereich der Kraftstoffe mit vielfältiger Zusammensetzung und Qualität birgt vor allem die technische Herausforderung, den Mechanismus der Schwingungsrisskorrosion zuverlässiger bewerten zu können. In der vorliegenden Arbeit soll ein neues Konzept zur Ermüdungsbewertung von Komponenten unter korrosivem Kraftstoffeinfluss vorgestellt werden. Hierfür wurde eine generische Prüf- und Messmethodik mit einem optischen Messsystem entwickelt, um den für die Ermüdungslebensdauer entscheidenden Kurzrissbereich charakterisieren zu können. Die Untersuchungen erfolgten an bauteilnahen Proben aus dem nichtrostenden martensitischen Stahl X17CrNi16-2 (1.4057). Es konnte durch die Erfassung kurzer Ermüdungsrisse gezeigt werden, dass an Luft ein Rissstopp an einer ehemaligen Austenitkorngrenze auftreten kann, jedoch der Riss bei einer Kraftstoffumgebung weiter wächst, was zu einer Lebensdauer- und Schwingfestigkeitsabnahme führt. Neben der Absenkung des zyklischen Schwellenwerts konnten auch Rissschließmechanismen festgestellt werden, die einen großen Einfluss auf die Phasen der Ermüdungslebensdauer haben. Aus den experimentellen Untersuchungen kurzer sowie langer Risse konnten auch material- sowie kraftstoffabhängige Parameter für die analytische Modellbildung abgeleitet werden, womit eine schwingbruchmechanische Schwellenwertbewertung sowie Lebensdauerabschätzung unter Berücksichtigung der hierbei wichtigen Rissschließeffekte durchgeführt werden kann. Somit wurde eine systematische experimentelle Untersuchung der Schwingbruchmechanik unter korrosivem Kraftstoffeinfluss durchgeführt und daraus ein fundiertes Mechanismenverständnis der Schwingungsrisskorrosion an kraftstoffführenden Komponenten aufgebaut. Die abgeleitete generische Analyse- und Prognosemethodik erlaubt eine zuverlässigere Auslegung derart belasteter Bauteile.Item Open Access Challenges and state of the art in industrial FSW - pushing the limits by high speed welding of complex 3D contours(2018) Hoßfeld, Max; Hofferbert, DaveOver the last 25 years, Friction Stir Welding (FSW) has been gradually moving from research over first applications into mass production. Today, requirements for consistently high-quality welds occur in parallel with a demand for high throughput as well as production flexibility. This paper gives an insight to the state of the art of industrial FSW mass production, current trends, challenges and market demands as well as the potential of high speed complex contour welding on modern multi-axis FSW machinery with respect to process parameters, material properties, machinery requirements and control algorithms, and methods. The design strategy of complex 3D contours as a chance to maximize efficiency is introduced; challenges of its implementation with respect to the state of the art in FSW are described. This includes the importance of advanced force control methods, fixture design, clamping forces and methodology for sustaining high-quality welds as well as the management of distortions and residual stresses by thermal management and optimization of process parameters. Examples of successful weld performance are described. Steps to be taken that result in high-quality welds, as well as situations to be avoided, are discussed. The publication was written based on results of the DFG project RO 651/16-1 that was carried out at the University of Stuttgart.