Das Metall-Ultraschallschweißen (kurz: USMW) eignet sich zum Verbinden von elektrotechnischen Bauteilen. Trotz der industriellen Verbreitung können Prozessschwankungen auftreten. Diese sind häufig nicht erklärbar, da bezüglich der komplexen Wirkzusammenhänge von Schweißwerkzeugen und Fügeteilen wissenschaftlich fundierte Kenntnisse fehlen.
Das Ziel der Dissertation ist daher die Beschreibung von thermo-mechanischen Vorgängen im mechanischen Gesamtsystem, bestehend aus Sonotrode, Amboss und Fügeteilen, die während der Verbindungsbildung beim USMW von artgleichen Kupfer-Blech-Verbindungen auftreten.
Zu Beginn wird der Versuchsaufbau, das Prozess-Datenerfassungssystem vorgestellt und die Messsignale hinsichtlich ihrer Eignung für die Prozessanalyse bewertet. Dazu wird neben den maschineninternen Signalen das Schwingungsverhalten durch eine Hochgeschwindigkeitskamera und zwei Laser-Doppler-Vibrometer extern erfasst. Die Signale werden anschließend ausgewertet, um charakteristische, transiente Prozesssignale zu identifizieren. Um diesen Signalen konkrete Zustände der Verbindungsbildung zuzuordnen, wird der Prozess nach definierten Zeiten abgebrochen und die Verbindungsbildung mikrostrukturell und bruchmechanisch charakterisiert. Abschließend wird die Verbindungsbildung durch ein empirisch basiertes Prozessphasenmodell beschrieben. Die Überprüfung des Modells unter veränderten Prozessbedingungen belegt außerdem dessen Übertragbarkeit. Bezugnehmend auf den aktuellen Stand der Forschung erlauben die Ergebnisse tiefergehende Einblicke zu den stattfindenden thermo-mechanischen Vorgängen beim USMW. Damit kann die in-situ Prozessanalyse als ein wichtiger Schlüssel für ein umfassenderes Prozessverständnis sowie eine verbesserte Prozessfähigkeit des USMW angesehen werden.
Aktualisiert: 2020-10-15
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In dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit vorhandener Prognosemodelle auf das Kaltgasspritzen von hochfeste Metallen untersucht. Zu diesem Zweck werden das Auftragsverhalten und die Eigenschaften von mittels Kaltgasspritzen aufgetragenem Ti-6Al-4V, Nickel und fünf unterschiedlichen amorphen Metalllegierungen untersucht.
Für Ti-6Al-4V als auch Nickel konnten bestehende Prognosemodelle bestätigt werden. Damit können Prozessvoraussetzungen definiert werden, unter welchen aufgetragenes Material ähnliche mechanische Eigenschaften wie entsprechendes Massivmaterial aufweist. Kaltgasspritzen als additives Fertigungsverfahren für Ti-6Al-4V oder auch Nickel, ist den Untersuchungen zufolge eine gute Ergänzung zu bisher etablierten Techniken wenn im Vordergrund steht, viel Material in kurzer Zeit aufzutragen.
Im Gegensatz dazu ist eine Qualitätsprognose für amorphe Metalle deutlich komplexer und gängige Prognosemodelle lassen sich nicht ohne Weiteres anwenden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass auch unter Berücksichtigung des exponentiellen Erweichungsverhaltens kein allgemein für alle amorphen Legierungen gültiges Prognosemodell darzustellen ist. Die Anbindung amorpher Legierungen erfolgt über die Ausbildung von Scherbändern in Folge der Hochgeschwindigkeitsverformung und damit verbundener lokaler Erweichung.
Es konnte dennoch gezeigt werden, dass sich Kaltgasspritzen gut dazu eignet, amorphes Material zu verarbeiten. Mit allen in dieser Arbeit zur Anwendung gekommenen amorphen Legierungen, konnte erfolgreich Material aufgetragen werden. Unter anderem wurde dabei auch aufgezeigt, dass Kaltgasspritzen dafür geeignet ist, kostengünstiges Ausgangspulver zu amorphen Schichten oder Teilen aufzubauen.
Aktualisiert: 2020-01-06
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