Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schweißen ohne Wärme

24.05.2019

TU-Forscherteams wollen unterschiedliche Werkstoffe innovativ verbinden

Für die moderne Fertigungstechnik sind zunehmend leichte und smarte Bauteile erforderlich. Ein Ansatz besteht darin, unterschiedliche Werkstoffe zu verbinden, um so optimale Eigenschaften zu erreichen.


Prozessleuchten beim Kollisionsschweißen.

Bild: PtU

Koordiniert durch die TU Darmstadt untersuchten Forscherteams, durch welche neuen Verfahren sich Werkstoffe dauerhaft verbinden lassen, welche Technologien dafür geeignet sind und wie eine industrielle Anwendung der neuen Verfahren ermöglicht werden kann.

Wie in allen Industriebereichen müssen auch im Maschinenbau Rohstoffe und Energie effizient genutzt werden. In der Fertigungstechnik kann dies durch den Einsatz möglichst leichter Werkstoffe erreicht werden.

Durch geschickt gewählte Kombinationen verschiedener Ausgangsstoffe, die zu einem neuen Produkt beziehungsweise Bauteil gefügt werden, lassen sich beispielsweise Gewicht und Material einsparen, aber auch die spezifischen Eigenschaften zweier Werkstoffe in einem Bauteil gezielt kombinieren.

Neben klassischen Fügeverfahren wie Schweißen, Nieten oder Schrauben geraten dabei auch neue Methoden in den Fokus. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms (SPP) 1640 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) wurden Fügeverfahren untersucht, die auf plastischer Deformation mindestens eines Fügepartners beruhen.

In 16 Arbeitsgruppen wurde dabei von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus verschiedensten Forschungsrichtungen ermittelt, welche Fügetechnologien sich für die plastische Deformation eignen könnten, welche grundlegenden Bindemechanismen beim Fügen gleicher und unterschiedlicher Werkstoffe auftreten und welche Eigenschaften die so hergestellten Verbindungen aufweisen. Außerdem wurden geeignete Prüfmethoden erarbeitet, ohne die ein industrieller Einsatz neuer Verfahren nicht möglich ist.

Nach sechsjähriger Laufzeit endet das SPP 1640 nun mit einem Kolloquium. Im Vorfeld haben wir mit dem Leiter des Programms, Professor Peter Groche vom Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU), gesprochen.

Welche neuen Verfahren wurden untersucht?
Im Fokus des SPP standen Fügeverfahren, mit denen Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen, sogenannte Multimaterialverbünde, hoch belastbar verbunden werden können. Untersucht wurde das Kollisionsschweißen – mit Hilfe eines neuartigen Modellprüfstandes sowie dem elektromagnetischen Pulsschweißen, außerdem diverse neuartige Clinchverfahren, wie das Rotationsclinchen, das sich durch seine hohe Produktivität auszeichnet sowie unterschiedliche Verfahren des Kaltpressschweißens, bei denen Bauteilherstellung und Fügeoperation in einem Prozessschritt erfolgen können.

Welche Erkenntnisse konnten Sie gewinnen?
Zu Beginn des Projekts konnten wir zunächst feststellen, dass die Realisierung reproduzierbarer und hochfester Fügeverbindungen für jedes Projekt eine große Herausforderung dargestellt hat.

Diese Erkenntnis verhalf uns jedoch dazu, die Forschungsschwerpunkte auszubauen und schlussendlich viele Schwierigkeiten zu lösen. Der fortwährende Austausch zwischen den Projekten war äußerst fruchtbar, gerade durch die Kooperationen zwischen den einzelnen Projekten konnten die individuellen Herausforderungen erfolgreich gemeistert werden.

Lassen sich die Forschungsergebnisse in die industrielle Anwendung übertragen?

Wir haben bereits aus dem SPP einige Transferprojekte generieren können, die genau darauf abzielen, die Ergebnisse gemeinsam mit einem oder mehreren Industriepartnern der industriellen Anwendung ein weiteres Stück näher zu bringen. Außerdem sind wir zuversichtlich, weitere Projekte nach Abschluss des SPP vorantreiben zu können, um langfristig möglichst viele Verfahren der Industrie zur Verfügung zu stellen. Hierzu bestand in den letzten Förderperioden ein fortwährender Austausch zwischen Industrie und dem SPP, der sicherlich auch an unserer Abschlusstagung nochmal intensiviert und vertieft werden wird.

Schweißen ohne Wärme

Die TU Darmstadt war mit zwei Arbeitsgruppen vom PtU am SPP 1640 beteiligt. Ein Team um Maschinenbauingenieurin Christiane Gerlitzky hat dabei das Kaltpressfließschweißen, ein Verfahren der Kaltmassivumformung, wissenschaftlich untersucht. Das Besondere an dieser Technologie: Zwei Metalle, zum Beispiel Stahl und Aluminium, werden ohne das Zuführen von Wärme dauerhaft miteinander verbunden.

Was magisch klingt, hat einen chemisch-physikalischen Hintergrund. Die Ausgangsmaterialien werden bei hohem Druck umgeformt, wobei die Oberflächenschichten der beteiligten Metalle aufgerissen werden. Die freigelegten Grundmaterialien können nun miteinander reagieren und es bildet sich eine gemeinsame Grenzschicht aus. Die so entstandene Verbindung ist hochfest und elektrisch leitfähig.

„Das neue Produkt verbindet die Festigkeit von Stahl mit dem geringen Gewicht von Aluminium“, erklärt Gerlitzky. „Industriell eingesetzt ließen sich so sowohl Material als auch Gewicht einsparen.“ Die Eigenschaften durch Kaltpressfließschweißen verbundener Metalle wie etwa Dauerfestigkeit, Leitfähigkeit, Korrosionsneigung und die für die Umformung nötigen Prozessparameter hat die Wissenschaftlerin im Rahmen ihrer laufenden Promotion erforscht.

Verbinden durch Kollision

Einen alternativen Ansatz untersuchte die Arbeitsgruppe um Benedikt Niessen. Auch in diesem Teilprojekt sollten zwei Metalle bei Raumtemperatur stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Das hochreaktive metallische Grundmaterial wird hier jedoch durch die Kollision der Fügepartner unter hohen Aufprallgeschwindigkeiten freigelegt. Diese Fügetechnologie, auch Kollisionsschweißen genannt, wird auch beim elektromagnetischen Pulsschweißen eingesetzt. Allerdings erfolgt die Auslegung aufgrund fehlenden Wissens über die beteiligten Mechanismen meist empirisch, was teuer und zeitaufwendig ist.

Um die Grundlagen dieses Verfahrens zu verstehen, wurden experimentelle Arbeiten an einem eigens dafür entwickelten Versuchsstand durchgeführt. Darin werden Metallproben an Rotoren befestigt, die sich bei Aufprallgeschwindigkeiten von bis zu 500 Metern pro Sekunde treffen. Wenn die Metalle miteinander kollidieren, werden die Oxidschichten und Verschmutzungen der Oberflächen „weggesprengt“, so dass diese miteinander reagieren können und sich eine metallische Bindung ausbildet. Eine besondere Kamera macht es möglich, Hochgeschwindigkeitsaufnahmen vom Aufprall anzufertigen und so den Prozess umfassend zu untersuchen.

Niessen ist den grundlegenden Phänomenen bei diesen Fügeprozessen auf der Spur. Dank faszinierender Zeitlupenanalysen kann er die Vorgänge hoch auflösen und die Modellbildung für diese Fügeprozesse vorantreiben. Auch er hat im Rahmen des SPP 1640 wichtige Erkenntnisse für seine Dissertation gewonnen. „Wir forschen hier sehr grundlegend“, sagt der Maschinenbauingenieur. „Die Einblicke, die wir hier gewinnen, erhöhen das Prozessverständnis und reduzieren die Unsicherheiten in der industriellen Anwendung.“

Hintergrund
Das Schwerpunktprogramm 1640 „Fügen durch plastische Deformation“ wurde 2012 initiiert und lief insgesamt über sechs Jahre, die in drei Phasen untergliedert waren. Das PtU der TU Darmstadt übernahm dabei die Koordination der 16 Teilprojekte.

In der letzten Phase des SPP 1640 arbeiten 80 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 24 Forschungsstellen aus ganz Deutschland an der Erforschung der Fügeverfahren. Ein entscheidender Vorteil bei der Zusammenarbeit war die Interdisziplinarität der Projektpartner. So waren Fachbereiche wie Maschinenbau, Materialwissenschaften, Chemie und Physik an den Untersuchungen beteiligt.

Originalpublikation:

https://bit.ly/2HzirIN

Mareike Hochschild | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
https://www.tu-darmstadt.de/universitaet/aktuelles_meldungen/einzelansicht_230400.de.jsp

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Saubere Lunge dank Laserprozessabsaugung
18.06.2019 | Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

nachricht Additive Fertigung zur Herstellung von Triebwerkskomponenten für die Luftfahrt
18.06.2019 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

Die Qualität generativ gefertigter Bauteile steht und fällt nicht nur mit dem Fertigungsverfahren, sondern auch mit der Inline-Prozessregelung. Die Prozessregelung sorgt für einen sicheren Beschichtungsprozess, denn Abweichungen von der Soll-Geometrie werden sofort erkannt. Wie gut das mit einer bidirektionalen Sensorik bereits beim Laserauftragschweißen im Zusammenspiel mit einer kommerziellen Optik gelingt, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of PHOTONICS 2019 auf dem Messestand A2.431.

Das Fraunhofer ILT entwickelt optische Sensorik seit rund 10 Jahren gezielt für die Fertigungsmesstechnik. Dabei hat sich insbesondere die Sensorik mit der...

Im Focus: Successfully Tested in Praxis: Bidirectional Sensor Technology Optimizes Laser Material Deposition

The quality of additively manufactured components depends not only on the manufacturing process, but also on the inline process control. The process control ensures a reliable coating process because it detects deviations from the target geometry immediately. At LASER World of PHOTONICS 2019, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be demonstrating how well bi-directional sensor technology can already be used for Laser Material Deposition (LMD) in combination with commercial optics at booth A2.431.

Fraunhofer ILT has been developing optical sensor technology specifically for production measurement technology for around 10 years. In particular, its »bd-1«...

Im Focus: Additive Fertigung zur Herstellung von Triebwerkskomponenten für die Luftfahrt

Globalisierung und Klimawandel sind zwei der großen Herausforderungen für die Luftfahrt. Der »European Flightpath 2050 – Europe’s Vision for Aviation« der Europäischen Kommission für Forschung und Innovation sieht für Europa eine Vorreiterrolle bei der Vereinbarkeit einer angemessenen Mobilität der Fluggäste, Sicherheit und Umweltschutz vor. Dazu müssen sich Design, Fertigung und Systemintegration weiterentwickeln. Einen vielversprechenden Ansatz bietet eine wissenschaftliche Kooperation in Aachen.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT und der Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen entwickeln zurzeit eine...

Im Focus: Die verborgene Struktur des Periodensystems

Die bekannte Darstellung der chemischen Elemente ist nur ein Beispiel, wie sich Objekte ordnen und klassifizieren lassen.

Das Periodensystem der Elemente, das die meisten Chemiebücher abbilden, ist ein Spezialfall. Denn bei dieser tabellarischen Übersicht der chemischen Elemente,...

Im Focus: The hidden structure of the periodic system

The well-known representation of chemical elements is just one example of how objects can be arranged and classified

The periodic table of elements that most chemistry books depict is only one special case. This tabular overview of the chemical elements, which goes back to...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Rittal und Innovo Cloud sind auf Supercomputing-Konferenz in Frankfurt vertreten

18.06.2019 | Veranstaltungen

Teilautonome Roboter für die Dekontamination - den Stand der Forschung bei Live-Vorführungen am 25.6. erleben

18.06.2019 | Veranstaltungen

KI meets Training

18.06.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Universität Jena mit innovativer Lasertechnik auf Photonik-Messe in München vertreten

19.06.2019 | Messenachrichten

Meilenstein für starke Zusammenarbeit: Neuer Standort für Rittal und Eplan in Italien

19.06.2019 | Unternehmensmeldung

Katalyse: Hohe Reaktionsraten auch ohne Edelmetalle

19.06.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics