Werkstoffe verbinden

  Formschluss zwischen Stahlblech und Aluminium-Druckguss IBF

Die form- oder stoffschlüssige Verbindung unterschiedlichster Werkstoffe, zur Erreichung maßgeschneiderter Endeigenschaften, erfordert vertiefte Prozess- und Werkstoffkenntnisse.

Die in diesem Querschnittsbereich verankerten Forschungsthemen sind unterschiedlichen Arbeitsgruppen zugeordnet und werden im Folgenden dargestellt.

 
 

Formschlüssiges Walzen

Formschlüssiger Verbund aus Aluminium und Stahl

Neue Materialien und Methoden versprechen vielfältige Möglichkeiten, den Gewichtsanteil der Karosserie weiter zu senken. Einer dieser Ansätze ist die Nutzung hybrider Bauteile mit einer Kombination von verschiedenen Werkstoffen. Im Fokus stehen Bauteile, bei denen eine Verbindung aus Stahlblech und Aluminium angestrebt wird. Durch eine entsprechende Oberflächenstruktur soll eine Verklammerung der einzelnen Komponenten und somit eine hohe Verbundfestigkeit erreicht werden.
Aktuell werden verschiedene Verfahren untersucht, um Bleche entsprechend zu strukturieren. Es ist möglich, Kanalstrukturen in verschiedenen Abmessungen herzustellen. Anschließend können umformtechnisch Hinterschneidungen eingebracht werden. In Abhängigkeit vom eingesetzten Verfahren, der Geometrie der Kanalstruktur und dem Werkstoff können hier unterschiedlich große Hinterschneidungen hergestellt werden. Die zweite Komponente zur Verbundherstellung kann entweder umformtechnisch oder gießtechnisch appliziert werden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Stefan Senge.


Bild: Formschlüssiger Verbund aus Aluminium und Stahl, Bildrechte: IBF
 

Technologie des Walzplattierens

Plattierpaket im Walzspalt

Walzplattieren ist ein Fügeprozess, bei dem zwischen mehreren metallischen Fügepartnern durch Walzen und eventueller Erhöhung der Temperatur eine dauerhaft stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird.
Es können anwendungsgerechte Kombinationen verschiedener Eigenschaften wirtschaftlich und reproduzierbar erzeugt werden.
In einem eigens entwickelten Grundversuch wird die Verbindungsfestigkeit der Plattierpartner unter verschiedenen Lastzuständen charakterisiert. Die Daten werden in eine Subroutine überführt, auf deren Grundlage numerische Simulationen zur Entwicklung der Verbindungsfestigkeit während des Walzens durchgeführt werden. Aufbauend auf den Ergebnissen werden Plattierversuche auf den zur Verfügung stehenden Walzwerken durchgeführt.
Ziele sind die Optimierung bestehender Prozessrouten und die Entwicklung sicherer Prozessfenster für neue Materialkombinationen. Die aktuelle Forschung umfasst Warm- und Kaltwalzplattieren in unterschiedlichen Abmessungsbereichen und Materialkombinationen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Paul Simon.


Bild: Plattierpaket im Walzspalt, Bildrechte: IBF
 

Untersuchung von Verbindungsentstehung und -versagen metallischer Legierungen

Rotglühende Stahlproben bei der Verbindungsuntersuchung

Das Walzplattieren ermöglicht die gezielte Kombination verschiedener Werkstoffe und damit auch ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften in einem Werkstoffverbund. Da die unter Druckbelastung entstandene Verbindung jedoch durch die Scherbelastung im Walzspaltauslauf wieder aufreißen kann, erfordert die Verbundherstellung zum Teil sehr lange Prozessfolgen, die auch heute noch häufig durch „Trial and Error“ ermittelt werden. Um die Auslegung solcher Prozessketten zu vereinfachen, wurde am Institut für Bildsame Formgebung ein Grundversuch zur Charakterisierung von Verbindungsentstehung und -versagen entwickelt. In diesem Versuch werden die Verbindungspartner induktiv aufgeheizt und unter kombinierter Druck- und Scherbelastung verbunden. Die Prüfung der Verbindungsfestigkeit erfolgt im Anschluss, auf Umformtemperatur, unter einer Kombination aus Zug-, Druck- und Scherbeanspruchung. Das Verfahren ermöglicht somit die Prüfung unter prozessnahen Versuchsbedingungen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Jürgen Nietsch.


Bild: Rotglühende Stahlproben bei der Verbindungsuntersuchung, Bildrechte: IBF
  Untersuchung von Verbindungsentstehung und -versagen
 
 

Finite Elemente basierte Prozessauslegung zur Herstellung von Metallverbundwerkstoffen durch Walzplattieren

FE Modell zur Berechnung der Verbindungsfestigkeit beim Walzplattieren

Das Walzplattieren ermöglicht die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit maßgeschneiderten Eigenschaftskombinationen. Bei dem Walzplattieren werden Plattierpartner durch plastische Deformation permanent verbunden. Die Verbundentstehung ist ein komplexer Prozess, der durch Material- und Prozessparameter beeinflusst wird. Am IBF steht eine Abaqus Subroutine für die Berechnung der Verbundentstehung und des Versagens zur Verfügung. In einem DFG-Transferprojekt wird diese Subroutine weiterentwickelt, um effiziente Prozessrouten für neue Werkstoffkombinationen zu erarbeiten. Mit dieser Subroutine und dem Abaqus-Prozessmodell kann jetzt das Walzplattieren abgebildet werden. Die Festigkeit wird in Abhängigkeit von der Oberflächenvergrößerung berechnet. Durch ungünstige Belastungszustände nach dem Walzspalt kann sich der aufgebaute Verbund auch wieder lösen. So können jetzt die Einflüsse von Parametern wie Temperatur und Höhenabnahme auf die Festigkeit und den Verbundzustand simuliert werden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Zhao Liu.


Bild: FE Modell zur Berechnung der Verbindungsfestigkeit beim Walzplattieren, Bildrechte: IBF, Hydro
  Simulation des Walzplattierens
 
 

Ringwalzen von Werkstoffverbunden

Verbundring nach dem Auftrennen. Außen: 1.4401, Innen: 1.7335

Werkstoffverbunde bieten durch Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in einem Werkstück die Chance, örtlich unterschiedlichen Anforderungen durch maßgeschneiderte Werkstoffauswahl gerecht zu werden. Schwer zu vereinbarende Anforderungen in Hinsicht auf die mechanischen, thermischen oder chemischen Eigenschaften können so aufgelöst oder durch Kombination hochwertiger mit kostengünstigen Werkstoffen die Bauteilkosten reduziert werden.
Auch für große, nahtlose Ringe besteht das Potential durch Werkstoffverbunde maßgeschneiderte Produkteigenschaften zu realisieren, z.B. harte und verschleißfeste Arbeitsflächen bei duktilem Kern. Ziel des Projekts Verbundringwalzen ist es, die zur Verbundherstellung durch Ringwalzen maßgeblichen Zusammenhänge zwischen Prozessgrößen und Werkstoffeigenschaften durch Simulationen und Experimente zu identifizieren und modellmäßig so zu beschreiben, dass hieraus geeignete Walzstrategien abgeleitet und zulässige Prozessfenster identifiziert werden können.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Stefan Günther.


Bild: Verbundring nach dem Auftrennen. Außen: 1.4401, Innen: 1.7335, Bildrechte: IBF
 

Gießplattieren – Verbundwerkstoffe aus dem Bandgießprozess

Plattiertes Rohrsegment aus dem Gießplattierprozess

Plattierte Werkstoffe finden Einsatz in vielen Anwendungsbereichen. Sie erlauben kostengünstig maßgeschneiderte Eigenschaftskombinationen. Aufgrund ihrer großen Verbreitung existieren verschiedene Herstellungsprozesse, jeweils mit ihren eigenen Limitierungen. Das Gießplattieren bildet eine alternative Herstellungsroute, welche die kurze Prozessroute des Zwei-Rollen Bandgießens ausnutzt, um diese Limitierungen zu adressieren. Auf der Anlage des Instituts für Bildsame Formgebung wird ein vorgefertigtes Plattierband in den Gießspalt geführt, wo es sich unter Ausnutzung der Prozesshitze mit dem Gussband verbindet. So ließen sich für verschiedene Stahlkombinationen Bänder mit Dickenverhältnissen von 6:1 bis 10:1 zwischen Guss- und Plattierband herstellen. Die hergestellten Bänder wurde untersucht, um den unterliegenden Verbindungsmechanismus zu beschreiben und zu verstehen. Als nächster Schritt ist die Erforschung der Kombinierbarkeit von Nichteisen-Metallen mit Stahl angestrebt.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Dennis Münster.


Bild: Plattiertes Rohrsegment aus dem Gießplattierprozess, Bildrechte: IBF
  Gießplattieren