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Aktuell

Titel:
Entwicklung von Verschleißschutzsystemen für Aluminiumdruckgusskomponenten durch neuartige Legierungen und Fertigungsstrategien
Förderung: ZIM
Laufzeit: 01/20 – 12/21

Abstract:
Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung von Verschleißschutzlösungen für Aluminiumdruckgusskomponenten. Dies soll durch die Entwicklung neuartiger Legierungen und die schweißtechnische Beschichtung von Inlays verwirklicht werden.

Die Komponenten sollen nach dem EHLA-Verfahren mit einem pulverförmigen Schweißzusatz beschichtet werden, welches hohe Abschmelzleistungen durch hohe Vorschubgeschwindigkeiten mit niedriger Streckenenergie verknüpft. Dieses Verfahren wird bislang nicht für das Rohrinnenbeschichten verwendet. Eine Anpassung der Laseroptik, der Schweißgutförderung und der Verfahrmechanismen sind notwendig. Des Weiteren soll die Fertigung der Teile auf near net shape und belastungsangepasste Beschichtungen angepasst werden.

Die geplanten Legierungen sind Kobalt- und Chromvanadiumlegierungen. Diese Legierungen sollen einen höheren Widerstand gegen die kombinierte chemische und abrasive Belastung bieten. Die Legierungsentwicklung wird durch die Qualifizierung der Werkstoffe in einem tribologisch angepassten Prüfverfahren unterstützt.  Neben den tribologischen Eigenschaften ist die Überprüfung der Schweißeignung von zentralem Interesse.

 

 

 

Titel:
Einfluss von Drahtelektrodenbeschichtungen auf die mechanisch-technologischen Schweißnaht- und Prozesseigenschaften
Förderung: DFG
Laufzeit: 08/18 – 08/21

Abstract:

Der effiziente Umgang mit Ressourcen und Energien steht heutzutage im Mittelpunkt der Forschung. Daraus ergibt sich die Zielsetzung dieses DFG-Projekts, wie ein- oder mehrlagige Dünnschichtsysteme auf Massivdrahtelektroden beim MSG-Schweißen den Schweißprozess und die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Schweißgutes von Schweißverbindungen, vorwiegend aus un- und niedriglegierten Stählen beeinflusst. Dazu werden die Auswirkungen verschiedener Elemente, auf die Schweißdrahtelektrode untersucht und charakterisiert. Grundlage ist das Identifizieren, Verstehen und Anwenden der Effekte, welche die mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Dehnung, Zähigkeit, etc.) sowie Prozesseigenschaften (Lichtbogenstabilität, Tropfenübergang, Schmelzbaddynamik, etc.) verändern. Die Drahtelektrode soll mit metallischen sowie nichtmetallischen Beschichtungen überzogen werden, um eine große Bandbreite an Einflüssen durch verschiedene Begleitelemente zu untersuchen.

Aus den Voruntersuchungen geht hervor, dass das Schweißverhalten und die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Werkstoffs stark abhängig von den Beschichtungssystemen auf der Drahtelektrode sind. Auffällig hierbei ist die deutliche Verringerung der Bruchdehnung. Diese Problematik soll zukünftig durch Zugabe von Nickel behoben werden, sodass Massivdrahtelektroden mit höheren Streckgrenzen erzeugt werden können, ohne das Umformvermögen dabei zu reduzieren.

Auf Basis eines Feinkornstahl S700MC sollen mathematische Zusammenhänge zwischen Beschichtungsdicke und Beeinflussung verschiedener Prozessgrößen hergestellt werden. Dieses Modell soll als Grundlage für andere Grundwerkstoffe dienen. Zur Demonstration des Potenzials dieses Projekts soll ein Schichtsystem unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren für einen gleichmäßigen Einbrand, bei hoher Lichtbogenstabilität entwickelt werden, welches gleichzeitig eine Steigerung der Festigkeits- sowie Zähigkeitswerte aufweist.

 

 

Titel:
Entwicklung erweiterter MAX-Phasen-Beschichtungen (eMAX) zum Schutz von Triebwerkskomponenten unter Hochtemperaturstrahlverschleißbelastung (eMAX/Hot)
Förderung: ZIM
Laufzeit: 04/19 – 03/21

Abstract:
Die Anforderungen an Triebwerkskomponenten in der Luftfahrt steigen ständig. Die Ziele der Reduktion des CO2- und NOx- Ausstoßes sowie des Lärmpegels können nur über den Einsatz neuer Werkstoffe erreicht werden. Diese müssen leichter, temperaturbeständiger und dabei gleichzeitig schadenstolerant und vorhersagbar sein. In vielen Einsatzszenarien benötigen diese Komponenten zur Erzielung ausreichender Lebensdauern den zusätzlichen Schutz durch Beschichtungen, insbesondere wenn die Bauteile einer direkten Erosionsbelastung ausgesetzt sind. Hohe Sand- und Staubkonzentrationen treten im Flugbetrieb zwar vor allem bei Start- und Landevorgängen in ariden Gebieten auf, jedoch wird auch eine erhebliche Menge an Partikeln durch Wind in die Atmosphäre getragen und weit verbreitet. Durch Materialabtrag kann sich Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit der Schaufeln stark verändern, was letztendlich zu Leistungsverlusten im Triebwerk führen kann.

Durch die auftretenden Verschleißerscheinungen mit unterschiedlicher Stärke in verschiedenen Flugregionen werden derzeit in der Luftfahrt sehr kurze Wartungsintervalle gefahren. Zudem werden schon leicht verschlissene Turbinenteile ausgetauscht um eine sehr hohe Flugsicherheit gewährleisten zu können. Daher wäre eine Standzeiterhöhung aller Turbinenteile von auch nur 10% von immensem wirtschaftlichen Interesse und würde nach Aussage der Luftfahrtindustrie ein großes Potenzial an Kostenersparnissen darstellt. Ein innovativer Ansatz sind daher moderne Beschichtungsverfahren mit Dünnfilmschichten nach dem MAX-Phasen-Prinzip. Diese Phasen sind in der Wissenschaft beschrieben, die Überführung in Anwendungsfelder fehlt aber weitestgehend. Des Weiteren ist eine adäquate Prüftechnik für solche Anwendung noch nicht normiert. Auch hier ist die Entwicklung adäquater Tests von großem wirtschaftlichem Interesse.

Ziel dieses Projektes ist es, den Bereich dieser technisch nutzbaren Phasen zu erweitern, insbesondere in Hinblick auf Errosiosbeständigkeit bei hohen Temperaturen. Das Projekt unterteilt sich daher in zwei Teilprojekte:

  1. Entwicklung von neuartigen eMAX-Targets nebst Herstellungs- und Bondtechnologie
  2. Entwicklung von Beschichtungsprozessrahmenbedingungen und Umwandlungsprozess sowie dieEntwicklung einer geeigneten Test- und Untersuchungsstrategie für solche Schichtsysteme

Hierbei sollen die MAX-Phasen ähnlichen Schichten mittels PVD-Prozess von einem Compound Target gesputtert werden. Anschließend werden diese Schichten wärmebehandelt, um die Eigenschaften lokal zu beeinflussen. So sollen zum Beispiel für Anwendungen mit erosivem Verschleiß primär keramische Eigenschaften erzeugt werden. Die Dünnfilmschichten werden weiterhin mit verschiedenen Untersuchungsmethoden auf ihrer Verschleißbeständigkeit geprüft. Insbesondere werden Strahlverschleißversuche unter erhöhter Umgebungstemperatur von bis zu 700 °C durchgeführt um das Verhalten der Beschichtungen im Hinblick auf Triebwerksanwendungen zu qualifizieren.

 

 

 

Titel:
Entwicklung einer hybriden Fertigungsanlage mit anwendungsgerechter Fügetechnologie zum verzugsarmen Schweißen und anschließendem Fräsen und Beschriften von Blechen und Strangpressprofilen
Förderung: ZIM
Laufzeit: 04/19 – 03/21

Abstract:
Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines hybriden Maschinenkonzeptes zum Schweißen, Fräsen und Beschriften von großen Aluminium-Strangpresspanelen mit Bauteildimensionen von ca. 15x4m für die Fertigung von Schiffssegmenten auf einer einzigen Maschine. Dadurch können die Herstellungszeiten und -kosten erheblich reduziert werden. Gleichzeitig kann durch die vollständige Bearbeitung des gesamten Herstellungsprozesses in einem Unternehmen der Materialbedarf deutlich reduziert werden, weil die notwendige Materialmenge/Bauteilabmaße direkt anforderungsgerecht erfolgen kann. Auch der Logistik- und Lageraufwand reduziert sich deutlich, weil durch die verkürzten Prozesszeiten direkt auf Kundenanfrage und nicht „auf Halde“ produziert werden kann. Um zukünftig außerdem verzugsarm schweißen zu können, soll die Maschine in der Lage sein, die Bleche mittels Rührreibschweißverfahren (Friction Stir Welding, kurz: FSW) zu verschweißen. Speziell für diesen Prozessschritt muss die Werkzeugmaschine leichtbaugerecht und hochsteif ausgelegt und weiterentwickelt werden.

 

 

Titel:
Einfluss von thermo-mechanischen Betriebsbeanspruchungen auf die Belagbildungsneigung von beschichteten Stahloberflächen in Kunststoffverarbeitungsmaschinen
Förderung: AiF/FGK
Laufzeit: 01/19 – 12/20

Abstract:

Für die mittelständischen Kunststoffverarbeiter sind störungsfreie und reproduzierbare Prozesse von grundlegender Bedeutung für deren Wirtschaftlichkeit. Eine nach wie vor weit verbreitete Ursache für Produktionsunterbrechungen und Ausschuss sind insbesondere Stippen und Beläge auf Werkzeug- und Maschinenoberflächen. Stippen bezeichnen hierbei störende Einschlüsse im Kunststoffmaterial, die verschieden Ursachen haben können. Bilden sich Beläge auf schmelzeführenden Maschinen und Werkzeugen findet kein Materialaustausch mit der strömenden Schmelze statt. In der Folge degradiert das Material und löst sich später unter den Scherkräften der darüber fließenden Schmelze in Form von Stippen unkontrolliert ab. Die Belagbildung ist ein Phänomen, für das bis heute keine verlässliche und zuverlässig wirksame Abhilfemaßnahme existiert. In der Praxis werden zur Vermeidung von Belägen häufig dünne Beschichtungen auf Maschinen- und Werkzeugoberflächen aufgebracht.

Im Rahmen zweier bereits durch die AiF geförderter Projekte (IGF 18561 N und 403ZN) konnten die Wirkmechanismen der Anhaftung und Belagbildung auf reinen sowie auf beschichteten Stahloberflächen systematisch auf experimentellem Wege untersucht werden. Der Fokus lag dabei insbesondere auf der frühen Phase der Anhaftung und Belagbildung polymerer Schmelze.

Im Rahmen dieses neuen durch die AiF geförderten Projektes (20333 N / 2) soll die Rolle der thermomechanischen Beanspruchung und der Reinigung von schmelze führenden Komponenten überprüft werden. Daraus sollen sich geeignete Richtlinien und Handlungsempfehlungen ableiten lassen. Dabei sollen die Richtlinien die thermomechanische Auslegung der Komponenten hinsichtlich zulässiger Deformation, die Auslegung der Schichtsysteme hinsichtlich einer ausreichenden Duktilität, sowie auch Empfehlungen zu Reinigungsprozessen umfassen.

 

 

 

Titel:
Entwicklung einer neuartigen Legierung zur Herstellung korrosions- und abrasionsbeständiger Bauteile im HIP-Verfahren mit reduziertem Reibkoeffizienten
Förderung: ZIM
Laufzeit: 02/18 – 06/20

Abstract:
Im Rahmen des geplanten Projektes soll eine neuartige Legierung entwickelt werden, die sowohl eine hohe Abrasionsbeständigkeit als auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist und gleichzeitig gut zu bearbeiten ist. Zusätzlich soll der Reibfaktor durch die Legierungstechnik abgesenkt werden.

Herkömmliche Legierungen sind jeweils nur auf eine Eigenschaft ausgelegt. Sind sowohl Korrosions- als auch Abrasionsbeständigkeit gefordert, geht das immer zu Lasten einer Eigenschaft oder der Bearbeitbarkeit. Extreme Anforderungen, wie sie z. B. bei der Verarbeitung von hochgefüllten Kunststoffen mit Extruderschnecken auftreten, können mit solchen Werkstoffe nur unter starken Einschränkungen erfüllt werden. Mit der neuartigen Legierung soll dieses Problem nun gelöst werden.

 

 

Titel:
TUF-FAST Temperiertes umformendes Fügen von Metallen und faserverstärkten Thermoplasten; Reproduzierbare lokale Erwärmung der Verbindungszone beim umformenden Fügen ohne Hilfsfügeelement
Förderung: ZIM
Laufzeit: 04/18 – 03/20

Abstract:

Ziel des projektes ist die Entwicklung einer Fügevorrichtung mit integrierter Erwärmungseinheit zum Fügen von Aluminiumlegierungen mit kurzglasfaserverstärktem Kunststoff ohne Hilfsfügeelement. Die Basis der Untersuchungen bildet die Flach-Clinch-Technologie, welche aufgrund des günstigen triaxialen Spannungszustands auch das Fügen von spröden Werkstoffen durch den hohen hydrostatischen Druck ermöglicht und kein Hilfsfügeelement erfordert. Durch eine in den Werkzeugträger integrierte Erwärmungseinheit wird mittels Hochfrequenzerwärmung ein definiertes und auf den Umformvorgang abgestimmtes Temperaturprofil im Kunststoff erzeugt. Durch die Prozessauslegung des Fügeverfahrens sowie der Erwärmung mit Hilfe numerischer Methoden soll die Umformung des Kunststoffes im Fügeprozess materialschonend gestaltet werden. Dabei soll der kurzglasfasergefüllte Kunststoff möglichst zerstörungsfrei umgeformt werden ohne das Matrixmaterial thermisch zu schädigen, sodass die Verbindungsfestigkeit und die Reproduzierbarkeit maximiert werden.

 

 

 

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.

 

 

 

 

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