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Bauteildiät: Gewichtsersparnis durch Werkstoffkombination

Bauteildiät: Gewichtsersparnis durch Werkstoffkombination

Gewichtsersparnis durch Werkstoffkombination: Die Anforderungen an technische Bauteile steigt stetig. Insbesondere im Bereich der Automobil- und Luftfahrtindustrie wird zunehmend die Gewichtsreduzierung gefordert. „Mit hybriden Bauteilen lassen sich erhebliche Gewichtsreduzierungen erreichen“, sagt Vannila Prasanthan vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover. Im Sonderforschungsbereich „Tailored Forming“ arbeitet die Wissenschaftlerin mit Kolleginnen und Kollegen elf weiterer Forschungsinstitute an einer innovativen Prozesskette zur prozesssicheren Fertigung von hybriden Bauteilen. Prasanthan: „Wir wollen die Potenziale für hybride Massivbauteile auf der Basis einer neuen zugeschnittenen Prozesskette erschließen.“ Ressourcenschonend und energieeffizient soll ihre Fertigung sein. Und: „Für ein optimales Einsatzverhalten passen wir ihre Oberflächen- und Randzoneneigenschaften entsprechend an“, erläutert die Wissenschaftlerin.  

Für ihre Fertigung werden die Halbzeuge zunächst gefügt und anschließend umgeformt. In der finalen Zerspanung dieser Bauteile stellen die Projetmitarbeitenden schließlich die erforderlichen Oberflächen- und Randzoneneigenschaften ein. 
 
„Die Kombination von unterschiedlichen Werkstoffen in einem Bauteil ist insbesondere für die spanende Bearbeitung eine große Herausforderung“, erklärt Prasanthan. Thermische Beanspruchungen während der Zerspanung führen zu unerwünschten Zugeigenspannungen im Bauteil, die die Lebensdauer verkürzen. Die Projektmitarbeitenden bearbeiten die Bauteile deswegen mechanisch, um gezielt Druckeigenspannungen zu erzeugen. Prasanthan: „Damit reduzieren wir die Rissinitiierung und -ausbreitung und erhöhen so die Schwingfestigkeit des Bauteils.“ Darüber hinaus verringern die Projektmitarbeitenden die Oberflächenrauheit durch Optimierung der Prozessstellgrößen, um somit Ermüdungsschäden zu verhindern.
 
In der ersten Förderperiode des Sonderforschungsbereichs „Taiored Forming“ haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die grundlegenden Zusammenhänge der Oberflächen- und Randzonenbeeinflussung beim Außenlängsdrehen untersucht. Dafür konnten sie erfolgreich die zerstörungsfreie energiedispersive röntgenographische Methode zur Messung von Eigenspannungstiefenverläufen in einer Laborumgebung anwenden und die signifikanten Prozesseingangsgrößen, die die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften sowohl im Monowerkstoff als auch im Werkstoffübergangsbereich beeinflussen, identifizieren. „Die Eigenspannungen werden maßgeblich durch die Schneidkantenmikrogeometrie bestimmt, während Oberflächenrauheiten maßgeblich durch den Vorschub beeinflusst werden“, sagt Prasanthan. Die finalen Eigenschaften werden jedoch unabhängig von den Prozessstellgrößen hauptsächlich von der zu bearbeitenden Werkstoffpaarung beeinflusst. Ein bedeutender Einflussfaktor ist hierbei die Werkstoffhärte.
 
In der aktuellen zweiten Förderperiode untersuchen die Projektmitarbeitenden den Einfluss der Randzoneneigenschaften auf Strukturfestigkeit und Lebensdauer von hybriden Bauteilen. Zusätzlich zum Außenlängsdrehen wenden sie hier das Festwalzen zur Vergrößerung des Eigenschaftsfensters bezüglich Rauheit und Eigenspannungen an. Dabei ist es erforderlich, in der Nähe der Übergangsbereiche hybrider Bauteile, oder auch lokal angepasst bei Bauteilen aus einem Monomaterial, den Walzdruck hochdynamisch anzupassen. Daher wird die Entwicklung eines innovativen Walzwerkzeugs vorangetrieben, das die erforderliche dynamische Druckvariation liefert. Prasanthan: „Mit diesem innovativem Walzwerkzeug wird es erstmalig möglich sein, die Eigenschaften eines Bauteils lokal einzustellen.“ In der letzten Förderperiode des Sonderforschungsbereichs werden die Projektmitarbeitenden die generierten Erkenntnisse für komplexere Fertigungsprozesse und für die Fertigung von komplexeren Bauteilgeometrien erweitern.

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen Vannila Prasanthan, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 511 762 19091 oder per E-Mail unter prasanthan@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.