Dissertationen

Im Rahmen dieser Arbeit wird das Eigenschaftsspektrum der Al-Recyclinglegierung 226D (AlSi9Cu3Fe) unter Optimierung der Zusammensetzung und Wärmebehandlung erweitert. Neben thermodynamischen Simulationen mit JMatPro® und der Vorgehensweise nach DfSS Design-for-Six-Sigma werden Legierungsversuche im Labor- und Industriemaßstab, Makrohärte- und Dichtemessungen, Kerbschlagbiege- und Zugversuche, Bestimmung der Dauerschwellfestigkeit, DSC- und Dilatometermessungen sowie Licht- und Rasterelektronenmikroskopie mit EDX und zudem Röntgendiffraktometrie durchgeführt. Die Kombination aus DfSS und JMatPro® liefert im ersten Schritt eine Einschränkung der Legierung 226D hinsichtlich intermetallischer Phasen und Dehngrenze. Laborversuche zeigen durch 0,1 wt% Mo die Unterdrückung von nadeligen ß-Al5FeSi Phasen und stattdessen die Bildung verrundeter neuartiger AlFeMoMnSi-Phasen. Dies führt zu einer um bis zu 35 % gesteigerten Bruchdehnung. Der Übertrag auf ein Druckguss-Kurbelgehäuse zeigt ebenso eine Kennwertsteigerung. Dabei können Gefügebestandteile sicher mit JMatPro® vorhergesagt werden. Dies wird durch REM und XRD bestätigt. Die reduzierte Auslagerung T5mod 200 zeigt im Vergleich zur Referenz bereits eine signifikant höhere Dehngrenze und teils erhöhte Dauerschwellfestigkeit bis Pü50 = 57 MPa. Diese Steigerungen sind auf veränderte Ausscheidungsspezies und -dichte zurückzuführen. Optimiertes Lösungsglühen findet bei 738 K (465 ˚C) mit 3 h Haltezeit statt und liefert in Kombination mit reduzierter Auslagerung bei 473 K (200 ˚C) die höchste Dehngrenze bis 300 MPa. Dies führt auch bei der Kurzzeitwarmfestigkeit zu deutlicher Kennwertsteigerung. Bei 500 h Temperaturbelastung ist allerdings nur bis 453 K (180 ˚C) ein Vorteil zu erzielen, wohingegen nach 473 K (200 ˚C) / 500 h alle Varianten auf Rp0,2 [rund] 150 MPa abfallen. Der Spagat zwischen hoher Dehngrenze und geringem irreversiblem thermischem Wachstum zeigt sich insbesondere zwischen Auslagerungstemperaturen sowie ein- bzw. zweistufiger Wärmebehandlung. Durch Optimierung der Zusammensetzung und Wärmebehandlung wird eine deutliche Steigerung der korrelierenden Werte Quality-Index QIDJR und Sicherheitsprodukt Rp0,2 x A erreicht. Außerdem besteht ein tendenzieller Zusammenhang zwischen Sicherheitsprodukt und Kerbschlagarbeit.

In industriellen Produktionsbetrieben halten kollaborative Roboter verstärkt Einzug, um Menschen bei manuellen Tätigkeiten zu unterstützen. Roboter und Menschen arbeiten zeitgleich und miteinander in gemeinsamen Arbeitsräumen. Die Mensch-Roboter-Kollaboration beschreibt die engste und flexibelste Form dieser arbeitsteiligen Zusammenführung und unterliegt strengen Sicherheitsanforderungen. Sie gewährleisten, dass der kollaborative Roboter kein gesundheitliches Risiko für den Menschen darstellt. Die größten Gefahren für den Menschen gehen von einer Kollision mit dem Roboter oder einer Klemmung von Körperteilen durch den Roboter aus. Für beide Gefahren schreibt ISO/TS 15066 vor, dass der Eintritt einer Verletzung durch die Einhaltung von biomechanischen Belastungsgrenzen zu vermeiden ist. Derzeit verzeichnet ISO/TS 15066 ausschließlich Grenzwerte für Situationen, bei denen die Gefahr von einer Klemmung ausgeht. Grenzwerte für Kollisionen fehlen bisher. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke. Sie stellt Ergebnisse aus einer umfangreichen Literaturrecherche vor, die den aktuellen Kenntnisstand zu stoßartigen Belastungen und ihren Verletzungsfolgen aufzeigen. Keine der gesichteten Quellen beinhaltet Belastungswerte, die sich zur Festlegung von Grenzwerten eignen, um Menschen vor Verletzungen durch Kollisionen mit einem Roboter zu schützen. Ausgehend von einer sorgfältigen Analyse zu Hergang und Wirkung eines Stoßes wird im weiteren Verlauf der Arbeit eine Probandenstudie entwickelt, deren Design die spezifischen Anforderungen an die gesuchten Grenzwerte erfüllt. Der Methoden- und Versuchsplan sah vor, die Probanden an bis zu 21 Körperstellen mit einem Stoßpendel zu belasten. Im Zuge der Versuche wurde die Belastungsintensität schrittweise erhöht, bis ein Schmerz oder eine leichte Verletzung auftraten (in Form eines Hämatoms oder einer Schwellung). Die Auswertung der Versuche zum Schmerzeintritt ergab eine Tabelle mit den gesuchten Grenzwerten, die sich dazu eignen, ISO/TS 15066 zu ergänzen. Aus dem Studienteil zum Verletzungseintritt gingen aufgrund eines kleineren Probandenkollektivs allenfalls Orientierungswerte hervor. Trotz ihrer Vorläufigkeit vermitteln sie einen interessanten Einblick auf jene Form einer Kollisionsfolge. Der abschließende Vergleich der hier ermittelten Grenz- und Orientierungswerte mit vergleichbaren Sekundärdaten zeigt, dass die Arbeit den aktuellen Kenntnisstand in der Wissenschaft fortschreibt. Darüber hinaus gehen mit den Ergebnissen zahlreiche und interessante Anknüpfungspunkte für weiterführende Arbeiten einher.

Bei der Herstellung geschweißter Konstruktionen ergeben sich heute aufgrund wirtschaftlicher Gesichtspunkte hohe Anforderungen an die Quantität, ohne dass dabei die Qualität vernachlässigt werden kann. Das Schweißverfahren bestimmt nicht nur die Mikrostruktur des erstarrten Gefüges und somit die mechanisch-technologischen Verbindungseigenschaften, sondern auch die Wirtschaftlichkeit. Bisher werden beim MSG-Schweißen Drahtelektroden mit Durchmessern bis zu 2,4 mm eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich die Vergrößerung des Drahtelektrodendurchmessers auf den MSG-Prozess in seiner Gesamtheit auswirkt. Dafür wurde der Stand der Technik der Hochleistungslichtbogenschweißverfahren beleuchtet und ein Modell aufgestellt. Die experimentellen Versuche erfolgten mit einer vollelektronischen, sekundär getakteten Hochleistungs-Stromquelle und teilten sich in zwei Schwerpunkte. Zum einen zur Schaffung von Grundlagen zur Lichtbogenausbildung sowie zum Prozessverständnis und zum anderen zur Qualifizierung des MSG-Dickdraht-Verfahrens. Dabei stand die Wechselwirkung zwischen Lichtbogen und Schweißnaht im Mittelpunkt. Überprüft wurden mögliche technologische Vorteile. Für die Untersuchung kamen Massivdrahtelektroden (G3Si1) mit unterschiedlichen Durchmessern (dd = 3,2 und 4,0 mm) zum Einsatz. Zur Prozess- und Lichtbogenanalyse wurde auf einem rohrförmigen Probekörper aus niedrig legiertem Stahl sowohl mit CV- als auch CC-Charakteristik geschweißt. Messtechnisch erfasst wurden Stromstärke und Spannung. Synchronisierte Hochgeschwindigkeitsaufnahmen dienten der Betrachtung und Beurteilung von Tropfenentstehung, -ablösung und Lichtbogenausbildung sowie Schmelzbaddynamik. Für die Ermittlung der Schweißverbindungseigenschaften wurden Bleche mit den Dicken von 12, 15 und 20 mm geschweißt. Durch Versuche konnte die optimale Schutzgaszumischung von 30 % Ar Rest CO2 in Bezug auf die Spritzerbildung und das innere sowie äußere Nahtaussehen ermittelt werden. Höhere Anteile an Ar waren nicht zielführend. Die umfassende Prozess- und Lichtbogenanalyse zeigte, dass beim MSG-Schweißen mit "dicken" Drahtelektroden die klassische schweißleistungsabhängige Einteilung der Lichtbogenarten, wie vom MSG-Schweißen mit Drahtdurchmessern bis 1,6 mm bekannt, in Kurz-, Übergangs- und Sprühlichtbogen nicht möglich ist. Ein sehr kurzer Lichtbogen, der unterhalb der Blechoberfläche brennt, erwies sich in allen untersuchten Leistungsbereichen als vorteilhaft, da die Spritzerhäufigkeit mit Steigerung der Lichtbogenlänge zunimmt. Aufgrund der hohen Regelgeschwindigkeit der Schweißmaschine ist ein Schweißen mit solch kurzen Lichtbögen möglich. Bei langen Lichtbögen, die aus der Blechoberfläche heraustreten, wird das Schweißgut aus dem Bereich der Fügezone verdrängt und es kommt zum "Schneid-Effekt". Das Lichtbogenplasma ist dominiert von Metalldampf. Dadurch hat die Schutzgaszusammensetzung keinen wesentlichen Einfluss auf die innere Schweißnahtgeometrie. Vergleichende Schweißversuche zeigten, dass bei Verwendung der CC-Kennlinie sowohl der Prozess stabiler abläuft als auch die Spritzerbildung geringer ist als bei Nutzung der CV-Kennlinie. Bei jeder Tropfenablösung ändert sich die Lichtbogenlänge, die durch die Regelung der Schweißmaschine ausgeglichen wird. Eine Delta U-Regelung verursacht eine Spannungsänderung, die sich auf eine spritzerarme Tropfenablösung positiv auswirkt. Hingegen verursacht die Delta I-Regelung bei einer Lichtbogenlängenänderung Stromschwankungen von bis zu 400 A, was dazu führt, dass die Tropfen unter Entstehung vieler Spritzer regelrecht weggesprengt werden. Für die Schweißverbindungen wurde deshalb mit der CC-Kennlinie gearbeitet. Beim UP-Schweißen wird die Schweißmaschinen-Kennlinie nach dem Drahtdurchmesser gewählt. Eine solche Auswahl kann beim MSG-Dickdraht-Schweißen nicht erfolgen. Die vom UP-Schweißen bekannte Faustformel der Strombelastbarkeit der Drahtelektrode von 200 multipliziert mit dem Drahtdurchmesser (Ergebnis in Ampere) kann für das MSG-Dickdraht-Schweißen angewendet werden. Es ist ein stabiler Prozess mit akzeptabler Schweißnahtqualität beim MSG-Schweißen mit einem Drahtelektrodendurchmesser von 3,2 mm und einer Stromstärke von 640 A möglich. Abschmelzleistungen von über 8 kg/h sind ohne Weiteres erreichbar. Durch Änderung der Streckenenergie infolge der Erhöhung der Stromstärke ist die Einschweißtiefe beeinflussbar. Ein weiterer Einflussfaktor auf die innere Schweißnahtgeometrie ist die Schweißgeschwindigkeit. Eine Steigerung der Schweißgeschwindigkeit führt aufgrund der Senkung der Streckenenergie zur Reduzierung der Einschweißtiefe. Mit dem verwendeten Versuchsaufbau konnte eine maximale Schweißgeschwindigkeit von 120 cm/min realisiert werden. Die obere und untere Grenze für die Schweißgeschwindigkeit ist abhängig von der Schweißleistung. Im Vergleich mit dem UP-Schweißen ist in Bezug auf die Nahtausbildung festzuhalten, dass die Oberflächenschuppung und Formung des Nahtäußeren beim UP-Schweißen wesentlich besser ausfällt. Eine Einstellung der Nahtbreite über die Lichtbogenspannung, wie es beim UP-Schweißen möglich ist, kann bei MSG-Dickdraht-Schweißen aufgrund der sehr kurz einzustellenden Lichtbögen nicht realisiert werden. Die Nahtbreite ist nur geringfügig über die Schweißgeschwindigkeit einstellbar. Es muss erwähnt werden, dass das MSG-Dickdraht-Schweißen im Gegensatz zum UP-Schweißen ein sehr sensibler Prozess ist, bei dem kleinste Prozessinstabilitäten zu Poren und -nestern im Schweißgut führen können. Um die Qualität der Schweißverbindung zu bestimmen, wurden verschiedene zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren eingesetzt. Die Sichtprüfungen sowie die Farbeindringprüfungen ergaben, dass die Schweißnähte hinsichtlich der Oberfläche in Bezug auf Einbrandkerben, Oberflächenporen und Risse bis auf wenige Ausnahmen eine hohe Qualität aufwiesen. Bei der Durchstrahlungsprüfung wurde festgestellt, dass aufgrund einer diskontinuierlichen Drahtförderung und Schweißbewegungen Poren im Nahtinneren entstanden. Porenfreie Schweißnähte können aber bei exakter Drahtförderung und kontinuierlicher Schweißgeschwindigkeit prozesssicher erzeugt werden. Härtespitzen im Bereich der Wärmeeinflusszone an der Schmelzlinie erreichen Maximalwerte von 326 HV10. Darüber hinaus erwies sich die Kerbschlagzähigkeit des Schweißgutes als weitaus besser als die des Grundwerkstoffes. Die Zugproben versagten bis auf eine Ausnahme im Grundwerkstoff. Ursache hierfür war ein Porennest am Nahtende, welches durch die oben genannte Prozessinstabilität entstand. Bei Einhaltung aller prozessbedingten Besonderheiten und unter Beachtung der verfahrensspezifischen Randbedingungen können mit dem MSG-Dickdraht-Verfahren anforderungsgerechte Schweißnähte hergestellt werden. Die Untersuchungen ergaben, dass die Lage/Gegenlage-Technik empfehlenswert ist. Schweißungen an 20 mm Blechen konnten mit einer Lage pro Seite und Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 90 cm/min prozesssicher ausgeführt werden.

Eine Steigerung der Effizienz von Wärmeübertragern birgt das Potenzial Energiebedarf, Material, Bauraum und Kosten zu reduzieren. Luftgekühlte Motorkühlungswärmeübertrager wie sie bei Bau- und Landmaschinen eingesetzt werden zeichnen sich durch ein Betriebsumfeld aus, das von Verschmutzungspartikeln wie Staub und Pflanzenmaterial geprägt ist. Sie müssen gegenüber Verunreinigungen resistent und mittels Druckluft zu reinigen sein. Deshalb werden auf ihrer Luftseite tiefengewellte Wellrippen eingesetzt. Die bestehenden Korrelationen zur Beschreibung des Wärmeübergangs und des Druckverlustes in Abhängigkeit der tiefengewellten Rippengeometrie genügen allerdings bisher nicht den Ansprüchen bei einer präzisen Auslegung von Wärmeübertragern. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer neuen Methodik vorgestellt, die die Designfreiheitsgrade des Selektiven Laserschmelzens (SLM) nutzt, um eine experimentelle Analyse des thermohydraulischen Verhaltens von praxisrelevanten Geometrieparametern wie Amplitude, Wellenlänge und Grundform bei tiefengewellten Wellrippen durchzuführen. Der Einfluss dieser Geometrieparameter auf Leistung und Druckverlust wird anhand experimenteller, thermodynamischer Leistungsmessungen analysiert. Im Zuge der Arbeit wird hierfür ein Prüfstand zur Untersuchung SLM-gefertigter Versuchselemente mit Wellrippenstrukturen entwickelt. Mit hoch genauen, reproduzierbaren Messungen werden anhand von und Darcy friction factor Wärmeübertragung und Druckverlust der Wellrippen analysiert. Dabei werden kleinskalierte Versuchselemente gefertigt und hinsichtlich Maßhaltigkeit, Porosität und Oberflächenrauigkeit untersucht. Es wird der Effekt der erhöhten Oberflächenrauigkeiten des SLM experimentell und mit numerischen Simulationen behandelt. Die maßhaltige Realisierung der Geometrieparametervariationen in feinen Schritten bildet eine engmaschige Versuchsmatrix für den relevanten Parameterbereich der Wellenausprägungen verschiedener tiefengewellter Grundformen. Die bei konventioneller Rippenfertigung auftretenden Effekte, wie der des Anstellwinkels sowie der Wellenmodulation werden untersucht. Auf Basis der Messdaten können neue, präzisere empirische Korrelationen entwickelt werden, welche zuverlässig und präzise das Verhalten von tiefengewellten Wellrippen modellieren. Somit kann eine optimale Auslegung von Wärmeübertragern erfolgen.

Mehrstufige Drahtumformprozesse stellen die fertigungstechnische Grundlage für technisch anspruchsvolle Bauteile dar. Bei diesen mehrstufigen Prozessen ist die Ermittlung der resultierenden Eigenspannungen sowohl analytisch als auch numerisch bisher nur bedingt möglich. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Bereitstellung einer Methodik zur Bestimmung der optimalen Parameter beim Drahtumformen. Als erstes wird die zur Beschreibung des Umformvorgangs nötige Werkstoffcharakterisierung durchgeführt. Diese Charakterisierung basiert auf Experimenten, die sowohl den BAUSCHINGER-Effekt als auch Ver- und Entfestigungsmechanismen untersuchen und quantifizieren. Darauf aufbauend folgt der zweite Teilbereich, die analytische Beschreibung des mehrstufigen Umformprozesses. Durch Anwendung dieses deskriptiven Algorithmus werden sowohl die (Eigen-)Spannungen als auch die elastischen und plastischen Verformungen zu jedem Zeitpunkt des Umformvorgangs bestimmt. Als dritter Teilbereich werden verschiedene Optimierungsalgorithmen mit unterschiedlichen Zielsetzungen für den deskriptiven Algorithmus vorgestellt.