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SFB TRR 285
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Vernetzung und angestrebte Zusammenarbeit

Eine wesentliche Stärke des geplanten TRR zum Thema Prognose und Wandlungsfähigkeit der mechanische Fügetechnik liegt damit in der über einen rein fertigungsorientierten Ansatz hinausgehenden interdisziplinären Forschung. Durch die Einbindung von Wissenschaftlern aus Bereichen der Werkstofftechnik, Konstruktion, Mechanik, Messtechnik und des Leichtbaus kann das Thema der Fügbarkeit von verschiedenen Seiten akademisch durchdrungen werden. Neben einem vertieften Erkenntnisgewinn wird somit gleichzeitig in bzw. an den beteiligten Fachbereichen und Standorten ein ganzheitliches Verständnis für die Problemstellung aufgebaut. Dieses lässt in Zukunft auch durch die Einbindung der studentischen und wissenschaftlichen Mitarbeitenden einen effizienten Wissenstransfer in die technische Praxis erwarten. Gleichzeitig ist abzusehen, dass die Teilprojekte der Fügetechnik neue Impulse verleihen werden. Um die zuvor gesteckten Ziele zu erreichen, bedarf es einer grundlagenorientierten, wissenschaftlichen Untersuchung der Fügbarkeit, wobei die ganzheitliche Beschreibung der drei Themengebiete Fügeeignung, Fügesicherheit und Fügemöglichkeit erforderlich ist. Diese drei Themengebiete spiegeln die drei zentralen Projektbereiche des geplanten TRR wider, die durch Querschnittsthemen in fünf Arbeitskreisen ergänzt werden. In der Abbildung sind die Projektbereiche, Arbeitskreise und mögliche Zuordnung der Teilprojekte des geplanten TRR dargestellt.

Um eine Vernetzung zwischen den Forschungsstellen zu schaffen, wird es eine bedarfsgerechte Anzahl von Treffen geben. Diese werden am Anfang der Förderperiode häufiger, mindestens aber zweimal jährlich stattfinden. Für den Datenaustausch wird ein zentrales PLM-System eingerichtet. Im Folgenden werden die einzelnen Schwerpunkte der TRR-Initiative in die drei Projektbereiche Fügeeignung, Fügemöglichkeit und Fügesicherheit gegliedert und beschrieben, um die darin vorgesehenen Teilprojekte kurz vorzustellen. Die Projektbereiche haben jeweils eine standortübergreifende Funktion, da sowohl Teilprojekte aus allen Standorten als auch Vernetzungen der Teilprojekte über die Standorte hinweg gegeben sind.

Projektbereich A: Fügeeignung

Im Projektbereich A wird die Fragestellung der Fügeeignung der Werkstoffe bzw. Bauteile erforscht. Für die erste Förderperiode soll hier eine Fokussierung auf werkstofftechnische und mechanische Fragestellungen erfolgen. In diesem Projektbereich werden auch die für den Fügeprozess maßgeschneiderten Gusswerkstoffe grundlagenwissenschaftlich erforscht. Die Sprecherfunktion für Teilbereich A übernimmt der Paderborner Standortsprecher Prof. Meschut. Neben der chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften des Werkstoffes soll vor allem die Entstehungsgeschichte der ungefügten Struktur berücksichtigt werden. Die Teilprojekte A01, A02, A03, A04 und A05 erarbeiten im engen Austausch alternative Lösungswege für ein grundlagenorientiertes Werkstoffverständnis. In Paderborn wird im TP A01 die vollständige Prognostizierbarkeit der Fügbarkeit angestrebt. Zu diesem Zweck wird eine übergreifende Methodik entwickelt, die den gesamten Produktlebenszyklus einer Mischbau­verbindung vom Fügeteilwerkstoff über die Fertigung bis hin zum Betrieb der Verbindung abbildet, vor allem unter Einbeziehung der Ergebnisse involvierter Teilprojekte und der auftretenden Schnittstellen der Projektbereiche. Im TP A02 wird die Korrelation zwischen Prozessbedingungen der Herstellung und der mechanischen Fügbarkeit des Werkstoffs geschaffen. Dafür werden Aluminiumgussbauteile mit ortsaufgelöster verbesserter Fügbarkeit entwickelt und erzeugt, um das geforderte Mischbaukonzept zu realisieren. Das Teilprojekt A03 in Dresden bestimmt die prozessinduzierten Werkstoffstrukturphänomene in endlosfaserverstärkten Kunststoffen während und nach dem Fügen mittels skalenübergreifender Berechnungsmethodik. Die Kombination der Erkenntnisse aus der Analyse der Mikroebene zwischen Einzelfaser und Matrix und der Mesoebene zur Berücksichtigung der Permeabilität liefert auf der Makroebene ein umfassendes Prozessverständnis fügeprozessinduzierter Vorgänge warmgeformter FKV-Metall-Verbindungs­elemente. Mittels in situ CT-Analyse wird die Berechnungsmethodik validiert. Im TP A04 werden vorrangig Bindemechanismen auf der Basis von Energien erforscht, um mittels eines geeigneten Modellierungsansatzes die physikalischen Eigenschaften der Fügeverbindung in Abhängigkeit der Bindemechanismen zu beschreiben. Damit soll eine zielgerichtete Steuerung und Nutzung der durch das Fügeverfahren zugeführten Energie ermöglicht werden. Das Ziel des TP A05 in Erlangen ist die nichtlineare geometrisch exakte Modellierung des inelastischen Materialverhaltens der am Fügeprozess beteiligten Werkstoffe. Die Herausforderungen sind dabei die Kopplung von Plastizität und Schädigung, deren physikalisch motivierte Regularisierung und die algorithmische Umsetzung unter Berücksichtigung von Genauigkeit, Robustheit und Effizienz. Die entwickelten Materialmodelle gehen in die Prozesssimulation ein. Im TRR werden an einer Auswahl Werkstoffen auch in Kombination die grundlagenwissenschaftliche Erforschung der zentralen Fragestellung zur mechanischen Fügeeignung durchgeführt, welche auch ein hohes Umsetzungspotenzial für die Fügbarkeit wandlungsfähigen Prozessketten beinhalten.

Projektbereich B: Fügesicherheit

Der Schwerpunkt der Arbeiten des Projektbereichs B mit Teilprojekten aus allen Standorten liegt auf Fragestellungen der Methodenentwicklung zur Konstruktion und Auslegung der Fügeprozesse sowie der Fügestellen. Dabei werden die erforderliche Konstruktionsmethodik und Lebensdauer­prognose für mechanische Fügeverbindungen auch unter Korrosionseinflüssen erforscht. Die Sprecherfunktion für Teilbereich B übernimmt der Standortsprecher der TU Dresden Prof. Brosius. Dabei hat das standortübergreifende TP B01 in Dresden und Paderborn die übergeordnete Aufgabe, sowohl numerisch als auch experimentell last- und eigenschaftsbasiert die Fügestellen so auszulegen, dass in Verbindung mit A01 neben der reinen Fügestellenbelastbarkeit auch die vorangegangenen Prozessschritte berücksichtigt werden. Weitreichendes Ziel ist über eine detaillierte FEA die Vermeidung der etwaigen Schwächung der Fügestelle noch vor dem Bauteilausfall. In Dresden werden in TP B02 die Methoden zur Bewertung der Zuverlässigkeit gefügter Verbindungen erarbeitet. Hier steht vor allem der noch unbekannte Wechselwirkungs­mechanismus zwischen Fügeprozess und anschließender zyklischer oder korrosiver Belastung und den daraus resultierenden Versagensmechanismen im Vordergrund. Daher soll eine Prüfstrategie die Einflussfaktoren isolieren und so eine Bemessungsgrundlage schaffen. Ebenfalls in Dresden wird in TP B03 vor allem der Einfluss fügeprozessinduzierter Vorschädigung auf die Diffusionsprozesse bei der Korrosion in einem numerischen Modell unter zyklischer Belastung erforscht. Neben der Identifikation auftretender Korrosionsphänomene, wird die beschreibende mechanische Schädigung um die Effekte der Korrosion und anderer Werkstoffdegradierungen ergänzt. In Paderborn wird in TP B04 der konstruktive Schwerpunkt um die durchgehende Bewertung und Simulation des Risswachstums mithilfe der Bruchmechanik erweitert. Dabei sollen zunächst u. a. die Rissbeanspruchungsarten klassifiziert und bruchmechanische Materialkenn­werte für die gefügten Materialien ermittelt werden. Zudem ist herauszufinden, welche bruchmechanischen Konzepte angewendet werden können bzw. erweitert oder neu entwickelt werden müssen, um die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge aus bruchmechanischer Sicht zu verstehen. Im TP B05 werden in Erlangen die konstruktive Auslegung der Fügestelle untersucht und daraus konkrete analytische Auslegungsformeln abgeleitet. Nach der Sensitivitätsanalyse der Prozessparameter werden die identifizierten relevanten Parameter anhand von T-Stoß-Demonstratoren validiert. Daraus sollen die Zusammenhänge abstrahiert und in allgemeingültige und übertragbare Formen und Formulierungen für neuartige und wandelbare mechanische Fügeverbindungen gebracht werden.

Projektbereich C: Fügemöglichkeit

Im Projektbereich C werden die relevanten, prozesstechnischen Fragestellungen erforscht. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Untersuchung unterschiedlicher Fügeprozesstechniken, deren in situ Analyse sowie den verbindungsbildenden Mechanismen. Die Beschreibung der Fügemöglichkeit fokussiert auf die Verfahrensauswahl, die Fertigungsfolge und die notwendigen umfassenden Vor- und Nachbehandlungen der Fügeverbindung. Daher werden in den Teilprojekten C01, C02, C03, C04 und C05 zentral bestehende Fügeverfahren und Messverfahren erforscht. Die Sprecherfunktion für diesen fertigungstechnischen Projektbereich obliegt der in Erlangen beheimateten Standortsprecherin Prof. Merklein. In einem Gemeinschaftsprojekt wird in Erlangen in TP C01 ein neuartiges hilfsfügeteilfreies Fügeverfahren für Multi-Material-Systeme grundlagenwissenschaftlich untersucht. Der flexible Herstellungsprozess wird mittels ein­pressender und verstemmender Pinstrukturen und lokaler Stoffanhäufungen geschaffen. Im standortübergreifenden TP C02 wird in Paderborn und Erlangen die Flexibilisierung und in situ Prozessregelung des Halbhohlstanznietverfahrens mit dem Ziel des Ausgleiches prozessseitiger Schwankungen erforscht. Neben der Identifikation geeigneter Maßnahmen zur Anpassung des Hilfsfügeteils bildet vor allem die Regelung des Fügeprozesses durch erweiterte Werkzeug­kinematiken wie Taumelbewegungen und der damit einhergehenden Verbindungseigenschaften eine zentrale Fragestellung. Ebenfalls in Paderborn wird in TP C03 ein neuer Fügeprozess mit angepassten Hilfsfügeteilen erforscht, deren bedarfsgerechte prozessintegrierte Herstellung eine größtmögliche Flexibilität dieser Fügetechnologie eröffnet. In dem Gemeinschaftsprojekt C04 wird in Dresden die in situ Prüfmethodik von Fügeverbindungen realisiert. Die in situ CT-Analyse kann dabei vor allem die Mechanismen der Fügestellencharakteristik unter Berücksichtigung der induzierten Schädigungen abbilden. Durch die Analyse mittels Schwingungsanregung soll zudem eine Ableitung der Tragfähigkeit der Verbindung ermöglicht werden. Da die Gestalt mechanisch gefügter Verbindungen und fügeprozessinduzierter Schädigungen aktuell vorrangig zerstörend erfasst werden, werden im TP C05 in Erlangen zerstörungsfreie Messverfahren für die Qualitätssicherung erarbeitet und untersucht. Hier wird der Fokus auf der Röntgen-Computertomografie und der zugehörigen Ober- und Grenzflächenfindung der Bauteile und Strukturen sowie der hochauflösenden optischen Topographiemessungen liegen. Weiterhin sollen für die In-Prozess-Messung von Fügeprozessparametern mit konventioneller Sensorik die Messdatenerfassung und -auswertung mittels Messunsicherheitsanalysen optimiert und dynamische Messungen der Prozessgrößen auf der Grundlage eines bayesschen Ansatzes verbessert werden.