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Aktuell

Titel:
Belastungsgerechte Lichtbogenlötverbindung hochfester Stahlfeinbleche unter metallurgischen und geometrischen Aspekten
Förderung: DFG (Gemeinschaftsantrag)
Laufzeit: 12/13 - 11/16

Abstract:
Zwischen den Anwendungsmöglichkeiten und der realen Anwendung von Lichtbogenlötverbindungen besteht nach dem aktuellen Stand der Forschung eine hohe Divergenz. Dies ist darauf zurückzuführen, dass derzeit das Verständnis des Versagens lichtbogengelöteter Feinblechverbindungen, unter statischer und zyklischer Belastung, noch nicht ausreichend vorhanden ist, um eine belastungsgerechte Gestaltung der gefügten Bauteile vorzunehmen.

Dieses grundlegende Verständnis der Zusammenhänge von geometrischer Ausführung der Lötnaht, insbesondere am Überlappstoß, und deren lokaler metallurgischer Zusammensetzung auf die Verbindungseigenschaften soll im Rahmen des Forschungsvorhabens erarbeitet werden. Die Orte, an denen eine lichtbogengelötete Überlappverbindung üblicherweise versagt, sind sowohl für den Fall statischer als auch zyklischer Belastungen bekannt. Die genauen lokalen Vorgänge und Versagensmechanismen konnten jedoch bislang nur unzureichend beschrieben werden. Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist es deswegen die wesentlichen Einflussfaktoren auf die statische und zyklische Verbindungsfestigkeit detailliert zu untersuchen, um damit auf die zugrunde liegenden Versagensmechanismen zurückzuschließen. Dadurch wird eine zuverlässigere Aussage über Versagensursachen ermöglicht.

Das Ziel des Forschungsvorhabens gliedert sich somit in zwei Teilziele auf. Teilziel 1 ist es eine Lötverbindung zu realisieren, die sich durch eine hohe statische Festigkeit auf Grundwerkstoffniveau auszeichnet bei gleichzeitig noch guter zyklischer Festigkeit. Teilziel 2 ist es, eine Verbindung zu erzeugen, die eine sehr gute Festigkeit bei zyklischer Belastung aufweist, deutlich über den bisher möglichen 25 % der ertragbaren Last des Grundwerkstoffs, bei gleichzeitig noch guter statischer Festigkeit. Dabei ist eine hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse mit geringen Streuungen eine integrative Zielforderung für beide genannten Teilziele. So wird eine zuverlässigere und festere Verbindung in Bezug auf die überwiegende Belastung realisiert.

 

 

Titel:
Erweiterung des Prozessverständnisses und der Anwendungsfelder für das Längsnaht-Hochfrequenzschweißen von Rohren durch Verfahrensabbildung mittels Modellprozess und Finiter Elemente Simulation
Förderung: DFG
Laufzeit: 03/13-03/16

Abstract:
Bis dato existiert für das Hochfrequenzschweißen keine systematische Untersuchung der Einflussfaktoren Schweißspaltausbildung und Gefügestruktur im Hinblick auf die Bildung von Schweißnahtfehlern. Des Weiteren sind die Fehlerbildungsmechanismen in der Literatur zum jetzigen Zeitpunkt uneinheitlich dargestellt.

Im Rahmen des Projektes erfolgt die systematische Untersuchung der Fehlerbildungsmechanismen beim Hochfrequenzschweißen durch experimentelle Analyse eines semikontinuierlichen Modellprozesses, welcher das Längsnahtschweißen von Rohren im Labormaßstab abbildet und eine umfassende Prozessobservation gewährleistet. Durch geeignete Parametereinstellung und der Möglichkeit einer Prozessabschirmung mittels Schutzgas können die genannten Einflussfaktoren und damit ihre Prozesseinflüsse separat betrachtet werden. 

Auf Basis der am Modellprozess gewonnen Erkenntnisse wird ein Finite Elemente Simulationsmodell entwickelt, welches das Längsnahtrohrschweißen abbilden kann. Das Modell soll in der Lage sein durch Vorgabe von Gefügestruktur (elektrische Leitfähigkeit, Permeabilität, Wärmeleitfähigkeit, etc.) und chemischer Werkstoffzusammensetzung (Schmelzbadoberflächenspannung, Schmelzbadviskosität) Parameterfelder für beliebige Stahlwerkstoffe zu berechnen.

Zum einen ist es hierdurch möglich erstmals die Auswirkungen von Legierungselementschwankungen bei gegebener Stahlgüte zu bestimmen. Zum anderen kann die Schweißbarkeit bisher nicht verarbeiteter Stahlgüten ohne aufwändige Schweißversuche bestimmt werden, um so das verarbeitbare Werkstoffspektrum gezielt zu erweitern.

 

 

 

Titel:
Entwicklung und Charakterisierung eines SOFC-Stacks mit elektrisch parallel verschalteten Einzelzellen “El PaSO“
Förderung: AiF/DECHEMA
Laufzeit: 12/2012 – 02/2015

Abstract:
SOFC-Brennstoffzellen gelten aufgrund ihrer hohen Effizienz und Brennstoffflexibilität als Hoffnungsträger für die zukünftige Energieversorgung in stationären und mobilen Anwendungen. Neben den zu hohen Kosten sind zurzeit Probleme der Lebensdauer und Degradation ein wesentlicher Hinderungsgrund für einen zügigen Markteintritt.

Einige die Stack-Degradation beeinflussende Parameter hängen direkt mit der standardmäßigen Serienschaltung der Einzelzellen zusammen. So müssen elektrisch isolierende Dichtungen eingesetzt werden, für die üblicherweise auf Glaslote zurückgegriffen wird. Diese sind den anspruchsvollen Anforderungen während des Betriebs (Temperaturbereich, Thermozyklen) aber meist nicht über die geforderte Betriebsdauer gewachsen. Des Weiteren führt die Serienschaltung dazu, dass ein schonender Betriebspunkt von der schwächsten Einzelzelle definiert wird. Eine Überwachung aller Einzelzellspannungen ist aufgrund des hohen Aufwandes in praktischen Systemen nicht vorgesehen. Als Konsequenz wird der Stack-Betriebspunkt nur über die Gesamtspannung geregelt. Der Betreiber ist somit hinsichtlich des Zustandes der Einzellzellen quasi „blind“. Dadurch besteht die Gefahr, dass die schwächsten Zellen unterhalb ihrer Grenzspannung betrieben werden und so weiter degradieren. Dieser selbstverstärkende Mechanismus ist inhärent mit der seriellen Verschaltung verbunden, solange keine Einzelzellüberwachung erfolgt.

Vorteile verspricht das hier vorgeschlagene Stackkonzept mit einer parallelen Verschaltung der Einzelzellen. Da hier alle Zellen bei gleicher Spannung betrieben werden, kann durch einfache und kostengünstige Messung einer einzigen Spannung der Betriebszustand aller Zellen ermittelt und überwacht werden. So lassen sich kritische Betriebszustände sicher erkennen und frühzeitig geeignete Gegenmaßnahmen (z.B. Absenken des Laststroms) ergreifen. Gleichzeitig müssen die einzelnen Ebenen nicht mehr elektrisch isoliert abgedichtet werden, so dass Löt- und Schweißverfahren mit metallischen Dichtwerkstoffen für die Abdichtung eingesetzt werden können. Auch hinsichtlich der Ausfallsicherheit ist das Parallelkonzept vorteilhaft: Während bei der Serienschaltung der Ausfall einer Zelle zum Totalausfall des Stacks führt („Lichterketten-Effekt“) reduziert sich bei Parallelschaltung lediglich die zur Verfügung stehende Leistung.

Im dem Projekt sollen die inhärenten Vorteile der parallelen Verschaltung konsequent in Form eines Funktionsmusters erstmalig für einen anwendungsrelevanten Leistungsbereich (200 bis 300 Wel) umgesetzt und demonstriert werden. Dazu sind Fragen hinsichtlich der optimalen Werkstoffkombination, der verfahrenstechnischen Auslegung sowie der elektrischen Anbindung zu klären. Ein weiterer großer Aufgabenblock befasst sich mit den fertigungs- und fügetechnischen Aspekten. Auch hier eröffnet das Parallelkonzept bisher nicht genutzte Potenziale, durch neue Verfahren die Stackherstellung zu vereinfachen und die Lebensdauer zu erhöhen. Innovative Verfahren wie das Laserschweißen und das RAB-Löten kommen hier verstärkt zum Einsatz.

 

 

Titel:
VentiWear: Maßgeschneiderte Verschleißschutzsysteme zum Strukturleichtbau von Industrieventilatoren
Förderung: ZIM
Laufzeit: 03/13-03/15


Abstract:
Verschleiß verursacht jährlich allein in der Bundesrepublik Schäden in Milliardenhöhe. Auch Industrieventilatoren sind während ihres Einsatzes massiven Verschleißbeanspruchungen unterworfen, sodass es bei ihnen notwendig ist, regelmäßig technische Revisionen sowie Instandhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen durchzuführen. Eine Möglichkeit zur Reduzierung des auftretenden Verschleißes ist der Einsatz vorgefertigter Verschleißplatten, die von spezialisierten Zulieferunternehmen bereitgestellt werden. Sie bestehen aus einem Substratwerkstoff, auf den durch verschiedene schweißtechnische Beschichtungsverfahren insbesondere Eisen- oder Nickelbasis-Hartlegierungen aufgetragen werden. Die so erzeugten Platten werden den Konturen des zu panzernden Ventilators angepasst und punktuell (beispielsweise durch Schraub- oder Schweißverbindungen) auf den Strukturbauteilen der Ventilatoren aufgebracht. Diese konventionelle Lösung lässt allerdings bei schnelllaufenden Großventilatoren wenige Werkstoffvarianten zu, womit bestimmte geforderte Eigenschaften der Panzerungen nicht verfügbar sind. Außerdem ist die Hartphasenmorphologie (insbesondere Hartphasenabstand und -größe sowie Gleichmäßigkeit der Gefügeausbildung) durch die bisher genutzten Beschichtungsverfahren nicht so realisierbar, wie sie beim Erosionsverschleiß durch feine Partikel benötigt wird. Weitere Nachteile sind, dass die Strukturwerkstoffe in der Erstpanzerung oftmals nicht direkt beschichtet werden, da diese durch die verfügbaren konventionellen Beschichtungsverfahren wie Plasmapulverauftragschweißen (PTA), Open-Arc-Verfahren (OA) und Metallschutzgas- (MSG-)Prozesse thermisch so stark beansprucht werden, dass ihre ursprünglichen mechanisch-technischen Eigenschaften irreversibel verloren gehen und daher nicht als tragender Querschnitt in der rechnerischen Auslegung des Ventilators mitberücksichtigt werden können. Somit müssen notwendiger Weise Verschleißplatten eingesetzt werden, wodurch ein zusätzliches Gewicht durch den Substratwerkstoff der Verschleißplatten hervorgerufen wird und erheblichen Mehraufwand und -kosten bei Transport, Energiebedarf, Bau von Fundamenten etc. verursacht.

Eine technische Lösung für Verschleißschutzmaßnahmen an Ventilatoren, die die genannten Nachteile nicht aufweist, existiert derzeit weltweit nach dem Stand der Technik noch nicht. Im Rahmen des Forschungsprojekts werden deshalb beanspruchungs- und beschichtungsprozessgerechte Verschleißschutzsysteme zum Auftragschweißen von hochbelasteten Strukturbauteilen aus hoch- und ultrahochfesten Feinkornbaustählen durch moderne, geregelte (energiearme) schweißtechnische Beschichtungsverfahren für Leichtbauventilatoren entwickelt. Die Projektziele sind neben einer massiven Standzeitverlängerung (> 340 %) der Beschichtungen gegenüber den unbeschichteten Grundwerkstoffen eine erhebliche Reduzierung des Ventilatorengewichts, d. h. des Gewichtes der beschichteten Einzelteile um > 20 %.

Neben der TU Clausthal sind auch zwei Industrieunternehmen an diesem Forschungsprojekt beteiligt.

 

 

Titel:
Entwicklung von Schweißelementen für das Bolzenschweißen mit rotierendem Lichtbogen für die Substitution von Schweißmuttern
Förderung: ZIM
Laufzeit: 03/13-02/15

Abstract:
Ziel des Verbundprojektes ist die systematische Weiterentwicklung des vom Verbundpartner HBS entwickelten MARC-(Magnetic-Rotating-Arc)-Schweißprozesses in Richtung auf eine Anwendung zum Verarbeiten von Schweißmuttern, vergleichbar DIN 929 und DIN 934, wie sie millionenfach bei der mittelständischen Industrie beispielsweise im Schaltschrank- und Gehäusebau zum Einsatz kommen. In seiner jetzigen Form bietet der MARC-Prozess im Bereich des Bolzenschweißens zahlreiche Vorteile und Alleinstellungsmerkmale, muss aber immer auf das jeweilige Schweißelement abgestimmt werden. Diese weitgehend auf Empirie beruhende Vorgehensweise reicht jedoch nicht aus, um den Prozess an ein für eine erfolgreiche Marktpositionierung erforderliches Spektrum (M6 - M12) nichtsrotationssymmetrischer Teile für Blechdicken von 1-5 mm zu adaptieren, da hierzu grundlegende Kenntnisse zum genauen Prozessablauf und zum Einfluss der Schweißelementgeometrie im Nahtbereich fehlen. Das Projekt dient der Erarbeitung diese Kenntnisse mit dem Ziel der

1. Entwicklung von Schweißelementen geeigneter Geometrie
2. Weiterentwicklung der Gerätetechnik und Qualifizierung des Schweißprozesses

 

 

 

Titel:
Entwicklung einer NT-PEM-FC mit gedrehter Membran-Plattenebene (ProPa-FC)
Förderung: EFRE
Laufzeit: 01/13– 08/14

Abstract:
Das Ziel ist die Entwicklung einer parallelen Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle (NT-PEM-FC) mit vertikal angeordneten Membranen und horizontal angeordneten Gasverteilerplatten im Temperaturbereich von 60°C – 80°C auf der Grundlage einer neuartigen Mehrkomponenten-Polymerplatte. Es soll anhand eines kleinen Stacks die Machbarkeit des Konzepts und der Fertigungstechnik geprüft, das Betriebsverhalten der Brennstoffzelle untersucht und mit Brennstoffzellen, welche als Stand der Technik bezeichnet werden können, verglichen werden. Die Mehrkomponentenkunststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus einem elektrisch leitenden Kern und einem isolierenden Rahmen bestehen, wodurch neue Konzepte und verbesserte Brennstoffzellen möglich sind. Aus diesem Grund wird vergleichend eine NT-PEM-FC mit üblichem Aufbau entwickelt, bei der ebenfalls dieser neue Mehrkomponentenkunststoff zum Einsatz kommt.

 

 

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