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SFB/Transregio 285

A01 - Fügbarkeitsprognose

Der Einsatz der mechanischen Fügetechnik bietet die Möglichkeit zum Fügen von Misch-baustrukturen mit einem breiten Spektrum an Anforderungsprofilen und Werkstoff-Geometrie-Kombinationen mit variierenden geometrischen und materialspezifischen Kenngrößen. Eine ganzheitliche Absicherung der Fügbarkeit in wandlungsfähigen Prozessketten entlang der Prozessschritte Fügeteilfertigung, Fügeprozess und Betriebsphase ist aufgrund der von außen nur bedingt einsehbaren Prozesse, der hohen Anzahl an kombinierbaren Werkzeug-Varianten sowie variablen kraft- und wegbasierten Prozessparametern derzeit nicht möglich. Eine wandlungsfähige Prozesskette, d. h. eine Aneinanderreihung aller erforderlichen Prozesse und Prozessschritte für die Produktentstehung, ermöglicht an dem Halbzeug, der Fügestelle, dem Bauteil oder dem Fügeverfahren zielgerichtete Änderungen, die das ursprünglich geplante Ausmaß übersteigen und dabei die Fügbarkeit weiterhin gewährleisten. Sie führt im Einzelnen zu einer unikalen Fügestelle mit einem eigenen mechanischen Eigenschaftsprofil hinsichtlich verschiedener Beanspruchungsarten, was vor dem Hintergrund der daraus resultierenden sehr hohen Anzahl an Werkstoff-Geometrie-Kombinationen eine Absicherung der Fügbarkeit auf der konventionellen experimentell geprägten Herangehensweise unmöglich macht.

Die Vision des Teilprojektes ist daher die Methodenentwicklung zur ganzheitlichen Prognose der Fügbarkeit entlang der Prozesskette Mechanisches Fügen in wandlungsfähigen Prozessketten. Konkret bedeutet dies, dass das gesamte mechanische Eigenschaftsprofil (Fügesicherheit) aus verschiedenen Belastungsrichtungen, wie Schub und Zug und Belastungszeitfunktionen quasistatisch, schlagartig oder zyklisch, unter Berücksichtigung der sich in Art und Zustand wandelnden Fügeteilwerkstoffe (Fügeeignung) und darauf angepasster Fügeprozesse (Fügemöglichkeit) prognostiziert werden soll. Im TP A01 werden einerseits Methoden entwickelt und es integriert andererseits neben den im TP auch die im TRR von anderen TP entwickelten Methoden, um die notwendige Ganzheitlichkeit hinsichtlich der Fügeteilwerkstoffe, Fügeverfahren und Betriebsbedingungen zu erlangen. Dazu müssen kombinierte Methoden aus experimentellen Prüfmethoden und Simulationsmodellen, die das Verbindungsverhalten auf Grundlage des Werkstoffverhaltens beschreiben, erarbeitet werden, um die grundlegenden Wirkprinzipien zu erschließen und die Prognose anhand der Simulation umfassend zu ermöglichen. Die Methoden werden abschließend zur Erarbeitung gezielter Flexibilisierungs- und Robustifizierungsmaßnahmen für wandlungsfähige Prozessketten gegenüber variierenden Eingangsgrößen wie Werkstoff, Geometrie und Prozess genutzt. Dazu wird in der ersten Phase eine Simulationsstrategie aufgebaut, die alle drei Prozessschritte virtuell abbildet und die Übergabe der relevanten Zustandsgrößen, wie Geometrie, Werkstoffverfestigung und Schädigung für eine durchgängige Simulation der mechanischen Fügbarkeit erlaubt. Dazu müssen die in weiten Teilen heute noch inkompatiblen Schnittstellen zwischen den Teilprozessen definiert sowie zusätzliche Lücken für die realitätsnahe Modellierung der Fügeprozesse, z. B. im Hinblick auf die Schädigung und die Reibung, geschlossen werden. Herausforderungen ergeben sich hier insbesondere darin, eine numerisch robuste Prozesskettensimulation sicherzustellen. Mit dem aufgebauten Simulationsmodell sollen in einem iterativen Prozess der Nutzwert und die Sensitivität der übertragenen Zustandsgrößen hinsichtlich des Gesamtprozesses und gegenüber den jeweils nachfolgenden Prozessschritten untersucht werden. Weiterhin wird die gesamte Prozesskette auch experimentell detailliert nachvollzogen, wobei Geometrie und Werkstoffzustand nach jedem Prozessschritt und die Prozessgrößen möglichst lokalisiert ermittelt und zur Validierung der Simulationsmodelle genutzt werden sollen. Dazu sind orientierungs-, temperatur- und dehnratenabhängige Kennwerte der Fügeteile, Werkzeuge und Hilfsfügeteile aufzunehmen. Herausforderungen ergeben sich vor allem in der Entwicklung neuer Prüfmethoden zur Charakterisierung der Reibung und der Schädigung der Fügeteilwerkstoffe unter den komplexen Randbedingungen in der Prozesskette Mechanisches Fügen. Um die aufgebaute simulative Prozesskette und die Zustandsgrößen zu validieren, müssen geeignete Probenformen entwickelt werden, welche die gesamte Prozesskette Fügeteilfertigung, Fügeprozess und Betriebsphase durchlaufen können und die gezielte Einstellung des Werkstoffzustandes bei der Fügeteil-Fertigung (z. B. Verfestigung, Schädigung) im Bereich der Fügezone ermöglichen. Die experimentelle Erfassung der in der Prozesskette auftretenden Werkstoff- und Geometrieveränderungen, die zur Validierung des Prozesskettenmodells sowie den darin einfließenden Materialmodellierungskonzepten aus weiteren Teilprojekten essentiell sind, stellt eine Herausforderung dar.

Methodisches Vorgehen und Arbeitsprogramm

Mitglieder

Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut
Universität Paderborn - Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik
meschut@lwf.upb.de - +49 (0)5251 60 3031

M. Sc. Christian Roman Bielak
Universität Paderborn - Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik
christian.bielak@lwf.upb.de - +49 (0)5251 60 3811

Veröffentlichungen