TRR 10: Integration von Umformen, Trennen und Fügen für die flexible Fertigung von leichten Tragwerkstrukturen
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein wesentliches Ziel des Transregios war die integrierte Prozesskette und die Entwicklung von Technologien zur automatisierten, produktflexiblen Kleinserienfertigung von leichten Tragwerkstrukturen. Hierbei war insbesondere die Flexibilität hinsichtlich der Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Stückzahlen, die Anwendbarkeit bei hoher Variantenvielfalt sowie die kurzfristige Herstellbarkeit hervorzuheben. Die zu fertigenden leichten Tragwerkstrukturen unterscheideten sich in Form, Größe und Anwendung und besitzen an den jeweiligen Einsatzfall angepasste Eigenschaften. Bei kleinen Stückzahlen und großer Variantenvielfalt sind Verfahren mit werkzeuggebundener Gestalterzeugung meist unwirtschaftlich. In diesem Kontext wurden daher Verfahren mit kinematischer Gestalterzeugung weiterentwickelt und qualifiziert, sodass diese der gesteigerten fertigungstechnischen Komplexität prozesssicher begegnet werden können. Um die Zahl der prozess- und bauteilbezogenen Schnittstellen zwischen den Fertigungsschritten zu reduzieren, wurde die Fertigungstiefe durch gesteigerte technologische Integration verringert. Um dies zu erreichen, wurde die große Anzahl einfacher Verfahren durch wenige, dafür komplexere Verfahren ersetzt. Hierzu wurde im Transregio das Verfahren zum Strangpressen von Profilen dahingehend erweitert, dass Profile im Prozess gerundet und mit variablen Wandstärken sowie mit eingebetteten Verstärkungsoder Funktionselementen gefertigt werden können. Dabei ist es möglich, metallische Drähte oder hybride Keramikfaserverbunddrähte als Verstärkungselemente und Glasfasern oder isolierte elektrische Leiter als Funktionselemente zu verwenden. Um die Einbettungsqualität der Verstärkungselemente auf Basis quasistationärer Prozesssimulationen vorhersagen und automatisch optimieren zu können, wurden Methoden entwickelt, die z.B. auf aus der Informatik bekannte „Evolutionäre Algorithmen“ zurückgreifen. Um Erkenntnisse über das Versagensverhalten der neuen Bauteilgruppen zu erhalten, wurden neue Methoden zur Materialcharakterisierung wie Mikro-Push-Out-Versuche, In-situ-Untersuchungmethoden mittels Schallemissionsanalyse und In-situ-Zugversuche mit computertomografischer Bildgebung entwickelt. Die Handhabung der Profile erfolgt mit einer flexiblen und intelligenten Greiftechnik, welche mithilfe eines geometrieabhängigen Bauteilsystemmaßstabs auch zur Vermessung und Anordnung der Profile bei der Montage angewandt werden kann. Die qualitätsgerechte Bearbeitung dieser Profile wurde unter anderem durch den Einsatz echtzeitfähiger Acoustic-Emission-Systeme erreicht, womit Werkstoffübergänge identifiziert und dadurch Zerspanungsvorgänge beispielsweise unmittelbar beim Erreichen von Verstärkungselementen unterbrochen werden können. Zur Prognose, Prozessplanung und Optimierung von Fräsprozessen für die Bearbeitung von leichten, verstärkten Tragwerks- und Knotenbauteilen aus Aluminium ist es gelungen, eine vollständige Simulationsumgebung zu entwickeln, die die Fräsbearbeitung dieser Bauteile mit bis zu fünf Achsen inklusive der relevanten Einflüsse abbilden und die wesentlichen Prozessgrößen sicher prognostizieren kann. Bei der Kombination von YAG- und Hochleistungsdiodenlasern zum Bifokal-Hybrid-Laserstrahlschweißen konnte eine Verdoppelung der Schweißgeschwindigkeit im Vergleich zu konventionellen Verfahren erreicht werden. In einem Benchmark an Flachproben wurde sowohl bei quasistatischer als auch bei dynamischer Beanspruchung eine um ca. 25 % höhere Festigkeit im Vergleich zum WIG-Verfahren erzielt. Am Beispiel des Bifokal-Hybrid-Laserstrahlschweißens und des Friction Stir Welding wurde ein flexibles Wärmequellenmodell entwickelt, das mittels numerischer Berechnungen den verfahrensspezifischen Verzug und die Eigenspannungen der betrachteten Bauteilgeometrien vorhersagen kann. Zudem wurden für kraftschlüssige Fügeverfahren für Profil-Profilverbindungen das elektromagnetische und das Innenhochdruck-Fügen und für die Herstellung von stoffschlüssigen Blech-Profilverbindungen das Magnetimpulsschweißen betrachtet. Zur Entwurfsoptimierung von stranggepressten (Verbund-) Bauteilen und Strukturen wurden Methoden zur integrativen Betrachtung von strukturmechanischen und fertigungstechnischen Aspekten entwickelt, woraus Bauweisenentwürfe für beliebige Halbzeuge und Bauteile abgeleitet werden können. Die entwickelten Methoden der Entwurfsoptimierung wurden auf dynamische Aufprallvorgänge (Crash) angewandt und dahingehend erweitert, dass die Robustheit der ermittelten Lösung bei Abweichungen von derselbigen bewertet werden kann. Auf werkstoff- und strukturmechanischer Ebene konnten strangverstärkte Verbundwerkstoffe und –profile modelliert und simuliert werden. Die Modellierung des Elastizitäts- und Festigkeitsverhaltens heterogen verstärkter Verbundprofile kann im Rahmen einer frühen Konstruktionsphase eingesetzt werden. Mithilfe von Kreuzproben, deren Geometrie für den verstärkten Werkstoff optimiert wurde, konnten das Versagenskriterium wie auch die homogenisierte Betrachtung des Werkstoffs für Festigkeitsanalysen verifiziert und durch bruchmechanische Betrachtungen sowie hochdynamische Stoßbeanspruchungen ergänzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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