Verbundfließpressen von Aluminiumhybridbauteilen in Prozessfolgen

Abstract

Gestiegene Anforderungen an Leichtbau, Ressourceneffizienz und Funktionsintegration insbesondere für Anwendungen in der Mobilität stellen etablierte Umformtechnologien mit monolithischen Werkstoffen vor große Herausforderungen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind neue energie- und ressourcenschonende Prozessrouten zur Herstellung von Komponenten aus metallischen Werkstoffverbunden nötig. Bei der umformtechnischen Herstellung solcher Verbundkomponenten beeinflussen die Grenzflächeneigenschaften in hohem Maße die Funktionsfähigkeit der Gesamtkomponente. Folglich kommt der Vorhersage der Verbundeigenschaften durch geeignete Modellierungsansätze sowie der Identifikation von Prüfmethoden eine hohe Bedeutung zu. Die in dieser Arbeit untersuchte Prozessroute aus Verbundstrangpressen von Aluminiumhalbzeugen mit rohrförmig eingebettetem Verstärkungselement und nachfolgendem Fließpressen zu einer flanschförmigen Komponente stellt eine neuartige Erweiterung des Stands der Technik dar und bildet eine Basis zur Erarbei- tung geeigneter Modellierungsansätze für die Abbildung der Prozessroute. Verbundstranggepresste Hybridrohteile versagen jedoch in Abhängigkeit der Grenzflächeneigenschaften und des Lastkollektivs beim Kaltfließpressen durch Grenzflächendelamination oder durch Rissbildung des Matrixwerkstoffs. Daraus ergibt sich die wissenschaftliche Problemstellung dieser Arbeit: Die Ursache-Wirkung-Zusammenhänge des Verbundstrangpressens als Vorprozess zur Verbindungsbildung und des Kaltfließpressens als Nachfolgeprozess zur Umformung der Hybridkomponente, die zu einem Lastkollektiv aus Zug- und Druckspannungen in der Grenzfläche des Hybridbauteils führen, sind unbekannt. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Mechanismen der Verbindungsbildung und der Verbindungsablösung derartig gefügter Hybridbauteile zu verstehen und daraus Modellierungsansätze für die Vorhersage der Grenzen von nachfolgenden Umformvorgängen abzuleiten. Das Forschungsziel dieser Dissertation bildete daher die Modellierung zur Abbildung der Grenzflächeneigenschaften in der Prozessfolge aus Verbundstrangpressen und Fließpressen von Aluminiumhybridbauteilen durch Analyse des Lastkollektivs in der Grenzfläche mit einem Ansatz, der die Spannungshistorie berücksichtigt. Die Untersuchungen werden auf Basis der folgenden Forschungshypothese durchgeführt: Durch eine deduktive Forschungsmethodik kann ein Modellierungsansatz entwickelt werden, mithilfe dessen durch Analyse des Lastkollektivs in der Grenzfläche von Hybridkomponenten eine Vorhersage von Prozessgrenzen in der neuartigen Prozessfolge aus Verbundstrangpressen und Fließpressen gelingt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die betrachteten Fließpressprozesse mit steigender Deformation zu einem deutlich nicht monotonen Verlauf der Normalspannungen in der Grenzfläche im Flanschbereich führten. Der verwendete Porositätsansatz ermöglichte die Abbildung der Grenzflächeneigenschaften unter dem vorliegenden Lastkollektiv. Die berechnete Verbundfestigkeit aus dem Vorprozess konnte in Form einer Ausgangsporosität der Verbindungszone auf den nachfolgenden Fließpressprozesses übertragen werden und führte so zu einer Beeinflussung der Versagensdeformation in der Grenzfläche des betrachteten Bundstauchprozesses. Die vorliegende Arbeit leistet damit einen Beitrag zur Vorhersage der Prozessgrenzen nachfolgender Prozessschritte bei der Herstellung von Aluminiumhybridbauteilen mit eingebettetem Verstärkungselement.