Übergeordnete Themen und Schwerpunkte

Die additive Fertigung mit Lichtbogenschweißprozessen wie beispielsweise MSG-, WIG- oder Plasmaverfahren stellt eine ressourceneffiziente und wirtschaftliche Möglichkeit zur Herstellung von komplexen 3D-Bauteilen dar. Der Einsatz von draht- oder pulverförmigen Zusatzwerkstoffen ermöglicht dabei Aufbauraten von mehreren kg/h, wodurch die Herstellung großvolumiger Bauteile adressiert werden kann. Die Arbeiten am Fachgebiet Fertigungstechnik beziehen sich dabei vor allem auf die Steuerung des Energieeintrages und die daraus resultierenden Prozess-Werkstoff-Wechselwirkungen. Mit dem WAAM Verfahren (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing) können nahezu alle metallischen Werkstoffe in Form von Draht verarbeitet werden.

In der additiven Fertigung werden dreidimensionale Strukturen mit einer variierenden Komplexität gefertigt. Für die Herstellung der Bauteile ist es notwendig eine Bahnplanung für die aufzutragenden Schweißraupen zu erstellen. Dabei wird das Bauteil in vertikale Ebenenschnitte zerlegt (engl.: gesliced), um diese anschließend lagenweise mit dem entsprechenden Fertigungsverfahren aufzutragen. Die Aufbaustrategie beinhaltet nicht nur die geometrischen Begebenheiten des Bauteils, sondern berücksichtigt auch die Wärmeführung innerhalb des Teils. Dadurch können sowohl Produktivität, als auch die mechanisch-technologischen Eigenschaften beeinflusst werden.

Die additive Fertigung mit Lichtbogenschweißprozessen ermöglicht den gezielten Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe innerhalb eines Bauteils. Durch den schichtweisen Aufbauprozess können spezifische Legierungssysteme an funktionsrelevanten Positionen innerhalb des Werkstücks platziert werden. Am Fachgebiet Fertigungstechnik werden somit beispielsweise Multimaterialstrukturen mit integriertem Verschleißschutz oder duktile Zwischenlagen zur Aufnahme von Eigenspannungen bzw. Reduzierung von Verzug umgesetzt.

Filigrane, materialsparende, festigkeits- und steifigkeitsangepasste Tragstrukturen aus Metall gewinnen zunehmend an Bedeutung. Durch solche Strukturen ist es nicht nur möglich individuelle Ästhetik in Bauwerke einfließen zu lassen oder ikonenhafte architektonische Meisterwerke zu kreieren, sondern auch beanspruchungsoptimierte technische Lösungen in Anlehnung an die Natur (Bionik) zu generieren. Die Motivation eine leichte Struktur mit maximaler Stabilität herzustellen ist häufig mit dem Wunsch eines minimalen und angepassten Materialeinsatz sowie geringen Herstellungskosten gepaart.


 

Metallische Mischverbindungen bestehen aus Werkstoffen, die als nur bedingt oder nicht schweißgeeignet gelten, deren unterschiedliche Eigenschaften in Kombination jedoch zahlreiche Vorteile im Bereich des Leichtbaus, der Elektromobilität und anderen Forschungsgebieten ermöglichen. Beispielhalft sind hier u.a. die Mischverbindungen Aluminium-Kupfer, Aluminium-Titan oder Stahl-Aluminium anzuführen. Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten liegt in der Modifikation von Prozessen und Systemtechnik, einerseits zur angepassten Temperaturführung und Steuerung der Diffusion zwischen den beteiligten Werkstoffen, andererseits hinsichtlich der Umsetzung von Regelstrategien im gepulsten Laserstrahlschweißen.

Die Wechselbeziehung zwischen Prozess und Metallurgie kann u. a. durch das gezielte Einstellen der Abkühl-/Erstarrungsbedingungen und der Schmelzbadkonvektion beeinflusst werden. Durch Pulsmodulation im Laserschweißprozess sowie die Verwendung angepasster Intensitätsverteilungen können das Temperatur-Zeit-Regime sowie die wirksamen Dehnungen gezielt beeinflusst werden. Diese Strategien ermöglichen u. a. ein heißrissfreies Schweißen von Aluminiumlegierungen (EN AW 6xxx) ohne Zusatzwerkstoff oder das Laserstrahlauftragschweißen artgleicher Nickelbasissuperlegierungen.

Das Auftragschweißen beschreibt eine Form des Beschichtens und wird zum Panzern, Plattieren oder Puffern von Bauteilen eingesetzt. Insbesondere die Aufarbeitung von verschlissenen Bauteilen mit verschleißschützenden oder korrosionsbeständigen Legierungssystemen stellt eine wirtschaftliche Möglichkeit zur Verlängerung des Produktlebenszyklus von beanspruchten Bauteilen dar. Die im Fachgebiet Fertigungstechnik angewandten Verfahren des Metallschutzgas- und Plasmapulverauftragschweißens zeichnen sich durch eine hohe Produktivität und sehr gute Automatisierbarkeit aus. Hierbei steht die Korrelation zwischen Prozessführung und Schichteigenschaften wie beispielsweise Verschleißbeständigkeit anhand unterschiedlicher Legierungssysteme im Forschungsfokus.

Das Laserstrahlschweißen ist ein industriell weit verbreitetes Verfahren und bietet aufgrund seiner hohen Energiedichte und dem berührungslosen Energieeintrag wesentliche Vorteile gegenüber konkurrierenden Verfahren. Die Arbeiten des Fachgebietes Fertigungstechnik setzen sich dabei der Prozess- und Systemtechnik, dem Werkstoff sowie der Strahl-Stoff-Wechselwirkung auseinander, um innovative Ansätze zur Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeiten, der erreichbaren Nahtqualitäten sowie der Verarbeitung bedingt schweißgeeigneter Werkstoffe zu entwickeln und umzusetzen.

Das thermische Fügen von Metallen mit thermoplastischen Kunststoffen ist ein neuartiger Prozess, der mittels Laser- sowie Widerstandsfügen geführt werden kann. Die Anwendungen erstrecken sich dabei von der Automobilbranche über den Maschinen- und Anlagenbau bis hin zur "weißen Ware" in der Hausgerätetechnik. Das thermische Fügen ermöglicht dabei die direkte Herstellung eines Hybridverbundes ohne zusätzliche Fügeelemente oder Klebstoffe und erlaubt die gleichzeitige Nutzung beider Werkstoffe zur Umsetzung optimierter Bauteilstrukturen. Im Vordergrund der Arbeiten steht dabei die die Verknüpfung von Prozessdesign und resultierenden Werkstoffeigenschaften, dem Alterungs- und Ermüdungsverhalten sowie grundlegenden Betrachtungen zu Grenzfläche und Bindemechanismus.

Lichtbogenschweißverfahren – wie beispielsweise das Metall-Schutzgas-Schweißen finden in vielen Bereichen, wie dem Automobil- und Kraftwerksbau breite Anwendung. Forschungsschwerpunkte am Fachgebiet Fertigungstechnik sind dabei die Entwicklung von Fügestrategien für das hochproduktive Schweißen mittels Heißdraht, aber auch für filigrane Schweißverbindungen an Feinblechen mit Blechdicken von weniger als 1 mm, welche zu den anspruchsvollsten Aufgaben in der Fügetechnik mit Lichtbogenverfahren gehören.

Die Schweißstruktursimulation wird am Fachgebiet Fertigungstechnik als prozessbegleitendes Werkzeug zur Klärung schweißtechnischer Fragestellungen wie beispielsweise Gefügeumwandlungen, Eigenspannungen oder Bauteilverzug genutzt. Dabei basiert die Schweißsimulation auf der numerischen Lösung eines Modells und wird durch den Abgleich mit der experimentellen Versuchsdurchführung validiert. Die Gegenüberstellung unterschiedlicher Verfahrensvariationen, Werkstoffe oder Einspannzustände ermöglicht eine optimierte Vorgehensweise für die gewählte Schweißaufgabe. Die Schweißstruktursimulation findet neben der additiven Fertigung ebenso Anwendung im Verbindungs- und Auftragschweißen.

Die SPH-Methode ist ein moderner Ansatz der Simulation von Flüssigkeits- oder Gasströmungen und ermöglicht auch die Ermittlung von Festkörperverformungen, die beispielsweise beim Rührreibschweißen auftreten. Die Arbeiten des Fachgebietes Fertigungstechnik setzen sich dabei mit der Modellierung des Werkzeuges und der Werkstoffe auseinander, um Aussagen zur Vermischung von Werkstoffen durch das Werkzeug oder zum Verschleiß des Werkzeuges zu erhalten.

Die Simulation von Prozessen in der Lasermaterialbearbeitung hängt von diversen Einflussgrößen ab, u. a. der Intensitätsverteilung des Laserstrahles sowie dem Werkstoff, welche das Bearbeitungsergebnis maßgeblich beeinflussen. Der Einsatz von Modellierung und Simulation von Materialbearbeitungsprozessen ermöglicht dabei ein tiefgehendes Prozessverständnis und reicht von analytischen Betrachtungen über die numerische Simulation thermisch-mechanischer Modelle bis zur Mehrphasen-Prozesssimulation des Laserstrahltiefschweißens.

Ein Bereich der Strukturoptimierung stellt die Topologieoptimierung dar. Mit numerischen Berechnungsverfahren werden Designvorschläge für Beanspruchungen generiert und hinsichtlich der Auslastung bewertet. Damit können materialreduzierte und lastgerechte Strukturen ermittelt werden. Für die Umsetzung durch das additive Fertigungsverfahren WAAM sind verfahrenspezifische Randbedingungen bei der Durchführung der Topologieoptimierung zu berücksichtigen.

Die künstliche Intelligenz setzt sich in vielen Lebensbereichen durch. Durch die Vielzahl der Sensoren bzw. der Daten, die im Fertigungsprozess integriert bzw. aufgenommen werden können, ist eine ideale Basis vorhanden, künstliche Intelligenz in der Fertigungstechnik einzusetzen. So lassen sich Prozessveränderungen auf Grundlage der Daten sehr schnelle feststellen und notwendigen Maßnahme ableiten. Dazu sind neben umfangreichen Daten auch geeignete Modelle auszuwählen und zu trainieren.

Die Verwendung multimodaler Sensorik ermöglicht im Bereich der Füge- und Schweißtechnik sowie der Oberflächenbearbeitung neuartige Ansätze zur Überwachung und Regelung von Prozessen.Mit Hilfe modernster Methoden der Signalverarbeitung sowie Ansätzen der künstlichen Intelligenz werden am Fachgebiet Fertigungstechnik Systeme zur automatisierten Erfassung, Verarbeitung und Verknüpfung entsprechender Datenströme entwickelt. Aus diesem Ansatz ergeben sich maßgebliche Potenziale zur Entwicklung echtzeitfähiger Prozessüberwachungen für verschiedene Anwendungen, u.a. auf dem Gebiet des Schweißens, der thermischen Fügetechnik und der additiven Fertigung, sowie die Möglichkeit zur Regelung von Prozessen, bspw. zur Reinigung von Oberflächen.