Lebensdauervorhersage hybrider reibrührgeschweißter Aluminiumverbindungen –Prozess- und Ermüdungsmodellierung unter Berücksichtigung der Mikrostruktur

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Alexander Hartmaier; Professorin Dr.-Ing. Ghazal Moeini; Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450156756

Die Additive Fertigung (AM) bietet durch die Kombination von großer Designfreiheit sowie einzigartigen, konventionell nicht erreichbaren, Materialeigenschaften eine große Chance für die Implementierung neuartiger Leichtbaukonzepte. Die Schaffung kosteneffizient hergestellter Hybridverbindungen mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften ist ein wesentlicher Schritt zur Anwendung in Branchen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Um dieses Ziel zu erreichen muss ein tiefgreifendes Verständnis für geeignete Prozesse erarbeitet werden. Während der ersten Förderphase konnte mithilfe einer kombinierten Herangehensweise aus experimentellen und modellbasierten Untersuchungen gezeigt werden, dass die Bauraumbeschränkungen des im Fokus stehenden AM-Prozesses durch den Einsatz von reibrührgeschweißten Verbindungen aus additiv gefertigtem und gegossenem Aluminium überwunden werden können. Jedoch wird die Lebensdauer von solchen Verbindungen wesentlich durch das vergleichsweise schwache Gussmaterial bestimmt. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten auch, dass es noch wesentliche Herausforderungen im Bereich des Reibrührschweißens von artfremdem Materialkombinationen gibt, besonders hinsichtlich der Vorhersage des Materialverhaltens im Schweißnahtbereich selbst. Um den Anforderungen moderner Konstruktionen gerecht zu werden ist es deshalb notwendig, die gezielte Verbesserung von hybriden Schweißverbindungen sowohl experimentell als auch modellbasiert zu begleiten. Dabei ist es wichtig das komplexe Zusammenspiel von Temperatur, Materialfluss, Mikrostruktur, Eigenspannungen und deren Auswirkung auf die Ermüdungseigenschaften tiefgehend zu verstehen. Um bestehende Wissenslücken zu schließen wird sich das anvisierte Projekt mit dem Reibrührschweißprozess selbst beschäftigen. Hierfür werden mithilfe eines dreigleisigen Ansatzes neben der experimentellen Bestimmung der Materialeigenschaften auch der Schweißprozess und die Ermüdungslebensdauer modelliert und auf Basis von experimentellen Ergebnissen validiert. Es wird dabei auf den vorhandenen Materialmodellen aus der ersten Förderphase aufgebaut. Um die Hybridverbindung homogener zu gestalten und Grenzbereiche der Belastbarkeit zu bewerten, und somit den versagensbestimmenden Bereich in die Schweißzone zu verschieben, wird nun die konventionell prozessierte hochfeste Legierung AA7075 als Schweißpartner für das additiv gefertigte AlSi10Mg verwendet. Mechanische und mikrostrukturelle Untersuchungen werden an Bauteilen aus konventionellem AA7075 sowie an deren Reibrührschweißverbindungen durchgeführt. Die dabei gewonnen Erkenntnisse liefern zusammen mit aufgezeichneten Daten des Reibrührschweißprozesses die Grundlage für die Prozess- und Ermüdungsmodellentwicklung. Diese wird anhand der realen Mikrostrukturen und Schweißbedingungen durchgeführt. Ziel ist, die entstehenden mikrostrukturellen Zonen sowie deren individuelle Lebensdauer vorherzusagen und Rissausgang und Lebensdauer präzise zu prognostizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen