Die vorliegende Arbeit trägt zur Erweiterung des Wissensstandes von geeigneten Spanntechnologien bei, um die Einführung des Rührreibschweißverfahrens in die Großkomponentenmontage der Luftfahrtindustrie zu erleichtern. Dabei werden die beim Rührreibschweißen auftretenden Kräfteverhältnisse mit Fokus auf dünnwandige Komponenten und das jeweils eingesetzte Spannsystem ermittelt und bewertet. Mit einer eigens programmierten thermo-mechanischen FEM-Simulation werden zudem Rückschlüsse auf das Verzugsverhalten gezogen, Möglichkeiten der Verzugsreduzierung untersucht sowie die im Prozess herrschenden Einspannkräfte berechnet. Zusammen mit der Simulation der auftretenden Bauteilverzüge, Reaktionskräfte und einer Toleranzstudie werden so Empfehlungen zur Gestaltung neuartiger Spanntechniken für die Großkomponentenmontage der Luftfahrt gegeben. Die erzielten Ergebnisse dienen weiterhin als Grundlage für die Entwicklung einer neuartigen Spanntechnik, welche im Rahmen der vorliegenden Arbeit vorgestellt wird.
Aktualisiert: 2023-06-01
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In der vorliegenden Arbeit werden die Prozess- sowie Eigenschaftsverhältnisse eines Mehrstiftwerkzeugs im Vergleich mit einem herkömmlichen Einstiftwerkzeug untersucht und gegenübergestellt, um in Zukunft Mehrstiftwerkzeuge zur Erhöhung der Prozessrobustheit einsetzen zu können. Die getätigten Untersuchungen zeigen, dass die Prozesswärme bei dem Mehrstiftwerkzeug größtenteils von der mechanischen Plastifizierungsarbeit ausgeht, wodurch mehr Fügematerial auch unterhalb der Enden der Schweißstifte plastifiziert werden kann. Gleichzeitig wird der horizontale und vertikale Materialfluss signifikant vergrößert, sodass eine feinere Durchmischung erfolgt und damit einhergehend ein feines und homogenes Gefüge entsteht. Ferner haben die Analysen ergeben, dass der vertikale und horizontale Wirkbereich vergrößert wird. Dies ist auf die geometrischen Besonderheiten des Werkzeugs und den damit verbundenen abweichenden Materialfluss zurückzuführen. Die mechanischen sowie technologischen Eigenschaften werden durch die Verwendung des Mehrstiftwerkzeugs verbessert. Anhand der Untersuchungen wird außerdem die signifikante Verbesserung der Prozessrobustheit, gerade hinsichtlich der Fügespalten, einem seitlichen Versatz des Werkzeugs zum Fügestoß sowie Bauteildickenschwankungen nachgewiesen.
Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Dissertation bestätigt werden, dass durch die veränderten Prozess- und Eigenschaftsverhältnisse des untersuchten Mehrstiftwerkzeugs die Prozessrobustheit gegenüber den genannten Störgrößen elementar verbessert wird.
Aktualisiert: 2023-03-16
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Der zunehmende Einsatz von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen für Anwendungen im Bereich E-Mobility führt zu Herausforderungen an die einzusetzenden Fügetechnologien. In dieser Arbeit wurde daher gezielt die Bildung einer eutektischen Schmelze zwischen Aluminium und Kupfer während eines Pressschweißprozesses ausgelöst, um den Lösungsraum zwischen Press- und Schmelzschweißverfahren zu nutzen. Während der Initialkontakt durch den Fügedruck beschleunigt wird, findet die Vergrößerung der Fügefläche durch die Bildung einer eutektischen Schmelze zwischen den festen Grundwerkstoffen innerhalb von weniger als einer Sekunde statt. In Abhängigkeit der Prozessführung kann der Pressschweißprozess erneut genutzt werden, um die Schmelze aus der Fügezone zu verdrängen. Die Bildung weiterer spröder Phasen wird durch die Limitierung der Spitzentemperatur und des Energieeintrags minimiert. Durch eine geeignete Prozessführung zeigen sich Vorteile beim Übertrag auf weitere Verfahren und Bauteilgeometrien.
Aktualisiert: 2023-01-31
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Der Materialleichtbau ist ein treibender Faktor zur Reduzierung von Treibhausgasen. In diesem Zusammenhang wird der Werkstoff Aluminium hinsichtlich seiner mechanisch-technologischen Eigenschaften kontinuierlich weiterentwickelt und erreicht neue Festigkeitsklassen.
Die Werkstoffe Stahl und Aluminium unterscheiden sich nicht allein in ihrer Dichte, sondern weisen vollständig unterschiedliche chemisch-physikalische Eigenschaften auf, die eine Übertragung der Fügetechnik aus dem Stahlbereich erschweren, sodass die Fügetechnik im Aluminiumbereich weiter- bzw. neuentwickelt werden muss. Die vorliegende Dissertation widmet sich der volkswirtschaftlichen und technologischen Herausforderungen des punktförmigen Fügens von Aluminiumblechen ≥ 3 mm mittels des Rührreibpunktschweißens (RRPS). Mit dieser Arbeit konnte eine Weiterentwicklung des RRPS-Verfahrens erreicht werden, die es ermöglicht, Aluminiumkomponenten mit höheren Blechdicken zu fügen. Die Ergebnisse zeigen, dass über die Veränderung der Werkzeugkontur ein Materialfluss im Bereich des Fügestoßes eingestellt werden kann, wodurch sich die Schweißnahtmorphologie sowie die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Fügeverbindung verbessern lassen. Mit den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen können RRPS-Werkzeuge hergestellt werden, die das stoffschlüssige Fügen von Aluminiumkomponenten mit hohen Blechdicken ermöglichen.
Aktualisiert: 2021-04-01
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Die Herstellung stoffschlüssiger Mischverbindungen aus Aluminium- und Kupferwerkstoffen stellt eine herausfordernde Fügeaufgabe dar. Unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften der Grundwerkstoffe erschweren das Fügen mittels Schmelzschweißen. Hier rücken sogenannte Festphase-Fügeverfahren, zu denen auch das Rührreibschweißen zählt, in den Fokus. Eine Betrachtung dieses Verfahrens und der realisierbaren Verbindungseigenschaften unter automobilspezifischen Gesichtspunkten steht hingegen noch aus, sodass das Verfahren derzeit noch keine Serienanwendung zur Herstellung elektrischer Kontakte aus Aluminium und Kupfer findet. Daher soll mit der vorliegenden Arbeit die Eignung des Rührreibschweißens für die Fertigung von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen, die den Anforderungen für den Einsatz in stromführenden Bauteilen im Rahmen der automobilen Elektromobilität gerecht werden, nachgewiesen werden.
Durch wirtschaftliche Aspekte motiviert wurde mittels einer parametrischen Untersuchung, welche auf die Optimierung mechanischer und elektrischer Verbindungseigenschaften abzielte, eine Maximierung der Schweißgeschwindigkeit angestrebt. Zudem erfolgte aufgrund hoher produktionstechnischer Relevanz die Charakterisierung der Verbindungsbildung beim Fügen von Aluminium mit verzinntem Kupfer. Im nächsten Schritt wurde zur weiteren Gewichtseinsparung die Möglichkeit des Schweißens von Aluminium- und Kupferblechen unterschiedlicher Dicke untersucht, bevor zuletzt die mechanischen und elektrischen Eigenschaften rührreibgeschweißter Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen unter Einsatzbedingungen ermittelt wurden.
Mit den erarbeiteten Erkenntnissen bietet diese Arbeit einen Beitrag zur Erweiterung des Anwendungsspektrums des Rührreibschweißens für automobile Serienanwendungen.
Aktualisiert: 2020-07-10
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Ein Schlüsselfaktor zur Steigerung der Effizienz im Luftverkehr und zur Intensivierung der zivilen Raumfahrt ist die Weiterentwicklung von Technologien zur kosten- und ressourcenschonenden Herstellung von Strukturteilen. Die Werkstoffgruppe der höchstfesten Aluminiumlegierungen weist ein hohes Potenzial für den Einsatz in Luft- und Raumfahrzeugen auf, innovative Anwendungen werden jedoch durch den aktuellen Stand formgebender Fertigungstechnologien begrenzt. Ein zukunftsweisender Ansatz ist die umformtechnische Herstellung großflächiger, gekrümmter Bauteile ausgehend von ebenen, geschweißten Blechen, sogenannten Tailor Welded Blanks. Entscheidend ist dabei die Kenntnis der Wechselwirkungen entlang der Prozesskette und deren Einfluss auf die finalen Bauteileigenschaften. Die vorliegende Forschungsarbeit bildet mittels gezielter Werkstoffcharakterisierung die Basis für das Verständnis der Wärmebehandlung, Umform- und Fügetechnik. Darüber hinaus wurde eine Methodik zur modellbasierten Bauteil- und Prozessauslegung unter Berücksichtigung mehrkriterieller Randbedingungen entwickelt und deren universelle Übertragbarkeit auf Leichtbaustrukturteile aus höchstfestem Aluminium bewertet.
Aktualisiert: 2020-09-10
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Die vorliegende Arbeit trägt zur Erweiterung des Wissensstandes von geeigneten Spanntechnologien bei, um die Einführung des Rührreibschweißverfahrens in die Großkomponentenmontage der Luftfahrtindustrie zu erleichtern. Dabei werden die beim Rührreibschweißen auftretenden Kräfteverhältnisse mit Fokus auf dünnwandige Komponenten und das jeweils eingesetzte Spannsystem ermittelt und bewertet. Mit einer eigens programmierten thermo-mechanischen FEM-Simulation werden zudem Rückschlüsse auf das Verzugsverhalten gezogen, Möglichkeiten der Verzugsreduzierung untersucht sowie die im Prozess herrschenden Einspannkräfte berechnet. Zusammen mit der Simulation der auftretenden Bauteilverzüge, Reaktionskräfte und einer Toleranzstudie werden so Empfehlungen zur Gestaltung neuartiger Spanntechniken für die Großkomponentenmontage der Luftfahrt gegeben. Die erzielten Ergebnisse dienen weiterhin als Grundlage für die Entwicklung einer neuartigen Spanntechnik, welche im Rahmen der vorliegenden Arbeit vorgestellt wird.
Aktualisiert: 2023-03-31
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Rührreibschweißen von Aluminiumlegierungen mit Stählen für die Automobilindustrie
Aktualisiert: 2021-12-16
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