Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Ingenieurwissenschaften
Aktualisiert: 2022-05-26
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Die Orbitalreibschweißverbindung der Titanlegierungen TiAl6V4 und TiAl6Sn2Zr4Mo6
Schlüsselwort: TiAl6V4
Mikrostrukturausprägung additiv gefertigter Gitterstrukturen
Mit Hilfe der additiven Fertigung, insbesondere dem pulverbettbasierten selektiven Laserstrahl-schmelzen (LBM), können hochkomplexe Strukturen endkonturnah hergestellt werden. Die große Designfreiheit ermöglicht, zelluläre Leichtbaustrukturen zu erzeugen, deren mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften direkt vom generativen Fertigungsverfahren abhängen. Insbesondere im Bereich des Leichtbaus bieten zelluläre Strukturen neue Ansätze zur Verminderung des Energieverbrauchs. Um dieses Potential vollständig ausschöpfen zu können, müssen die Effekte, die zum Versagen der Bauteile mit integrierten Gitterstrukturen führen, quantitativ beschrieben und verstanden werden. Dies ist Voraussetzung für eine sichere Auslegung. Dazu werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die charakteristischen Eigenschaften dieser Strukturen sowie die Einflussgrößen im Aufbauprozess näher beleuchtet.
Im Rahmen dieser Dissertation werden numerische und experimentelle Untersuchungen von zwei unterschiedlichen Gitterstrukturtypen aus den Werkstoffen 316L und TiAl6V4 vorgestellt. Beide Werkstoffe werden unter monotoner, einachsiger Belastung getestet. Die parallel dazu durchgeführte digitale Bildkorrelation (DIC) ermöglicht gleichzeitig die detaillierte Analyse der lokalen Dehnungsverteilung während der Verformung. Mikrostrukturelle Eigenschaften und die resultierenden Gittercharakteristika werden mit Hilfe von rasterelektronenmikroskopischen Analysemethoden untersucht. Zudem erfolgt die Entwicklung eines Finite-Elemente- Modells, mit der Anforderung eines möglichst geringen Rechenaufwandes. Ein abschließender Vergleich der realen Dehnungsverteilung mit der FE- Analyse verifiziert das Modell.
Aktualisiert: 2021-04-06
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Grundlagenwissenschaftliche Untersuchung der kombinierten Prozesskette aus Umformen und Additive Fertigung
Für die Realisierung von individuellen Produkten ist unter Berücksichtigung der Herausforderungen heutiger Generationen eine kosten-, zeit- und ressourceneffiziente Fertigung unverzichtbar. Als möglicher Fertigungsansatz mit hohem Individualisierungspotenzial wurde im Rahmen dieser Arbeit die konventionelle Additive Fertigung herausgearbeitet, welche jedoch durch hohe Fertigungszeiten und limitierte Ressourceneffizienz charakterisiert ist. Zur Erfüllung aller Herausforderungen wird eine kombinierte Prozesskette aus Umformen mit nachfolgender additiver Fertigung und abschließender Wärmebehandlung zur Fertigung von Hybridbauteilen postuliert und untersucht. Wissenschaftlicher Anspruch dieser Arbeit ist in diesem Zusammenhang der Machbarkeitsnachweis, aber auch die grundlagenwissenschaftliche Erforschung dieser Prozesskette. Herangezogen werden dabei die additiven Fertigungsverfahren Laser- und Elektronenstrahlschmelzen und die umformenden Fertigungsverfahren Tiefziehen, superplastisches Umformen und Biegen für eine ausgewählte Titanlegierung.
Aktualisiert: 2020-09-10
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Modellgestützte Prozessauslegung zum linearen Schaftfräsen von tiefen Kavitäten in TiAl6V4-Verdichterscheiben
Die weltweit steigende Nachfrage nach interkontinentaler Mobilität führt zu einem stetigen Wachstum der Absatzzahlen von Verkehrsflugzeugen. Um die Betriebskosten zu senken, benötigen Fluggesellschaften effiziente Triebwerke, die zugleich die gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich des Emissionsverhaltens erfüllen. Eine Variante hierbei ist die Verwendung von Blisk-Verdichterscheiben. Die Bearbeitung von Blisk- Verdichterscheiben ist eine Schlüsseltechnologie und erfolgt vornehmlich durch spanabhebende Verfahren, wie zum Beispiel dem Fräsen, aus geschmiedeten Rundmaterial. Der Fertigungsprozess ist gekennzeichnet durch hohe Längen-Durchmesser-Verhältnisse der Werkzeuge, die zu einer Prozesslimitierung und geringen Prozesssicherheit beitragen.
Die technisch-wirtschaftliche Zielstellung der vorliegenden Arbeit ist die Steigerung des Zeitspanvolumens bei der fräsenden Bearbeitung von Blisk-Verdichterscheiben unter Berücksichtigung der Nachfolgeprozesse. Die wirtschaftliche Zielstellung stellt hierbei den Zielkonflikt zwischen zulässigen Werkzeugverschleiß und kürzerer Bearbeitungszeit in den Fokus. Die technische Zielstellung hingegen basiert auf einer Analyse der Einfluss- Ursache-Wirkzusammenhänge. Hierbei steht das Prozessverständnis zum Einfluss der Werkzeugtechnologie und den auftretenden Störgrößen auf den Fertigungsprozess und deren Wechselwirkung im Fokus. Abschließend werden Handlungsempfehlungen für die Prozesssicherheit, die Werkzeuggeometrie und die Bearbeitungsstrategie abgeleitet.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Grundlagenuntersuchungen zum selektiven Elektronenstrahlschmelzen von TiAl6V4
Die „Grundlagenuntersuchungen zum selektiven Elektronenstrahlschmelzen von TiAl6V4“ thematisieren den Einfluss der Prozess-, Geometrie- und Scanparameter bei der additiven Fertigung mittels Elektronenstrahl.
Die Prozessparameter werden dabei systematisch variiert, um den Energieeintrag, abhängig von der Geometrie und Scanstrategie zu untersuchen. Für die Auswertung werden die Bauteildichte, die Legierungszusammensetzung, die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Proben bestimmt. Dabei kommt neben der metallographischen Untersuchung, die Prozessbeobachtung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera zur Beobachtung des Schmelz¬vorganges zum Einsatz. Numerische Simulationen unterstützen die Auswertung der Interpretation und geben Aufschluss über die extrem schnellen Schmelz- und Erstarrungsprozesse.
Das gewonnene Prozessverständnis dient der Entwicklung von Prozessfenstern für die zuverlässige Herstellung von Bauteilen. Darüber hinaus werden Scanstrategien zur Einstellung der Bauteileigenschaften aufgezeigt.
Aktualisiert: 2020-01-08
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Hochleistungszerspanung von Titan
Die Produktivität bei der Zerspanung von Titan wird durch die Werkstoffeigenschaften
und die auftretenden Belastungen bestimmt. Die Gefügeausprägung von TiAl6V4 bestimmt ihre mechanischen und thermischen Eigenschaften und damit auch die Zerspanbarkeit. Bei Drehuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Prozesskräfte bei der Zerspanung lamellarer Gefüge im Mittel niedriger sind als bei bimodalen Zusammensetzungen, die eine höhere Festigkeit aufweisen. Jedoch resultiert die grobe Makrostruktur lamellarer Gefüge in erhöhter dynamischen Prozesskraftanteilen. Mittels statistischer Versuchsplanung konnten Prozessstellgrößenbereiche für das Fräsen aufgezeigt werden, in denen die Effizienz des Prozesses am größten ist. Die thermische Bauteilbelastung wurde mittels einer neuartigen Methode bewertet, die es ermöglicht, die Leistung der während der Zerspanung in das Bauteil emittierten Wärme anhand weniger Temperaturmessungen zu bestimmen. Abschließend wurde eine indirekte Messmethode für die Bestimmung der Eigenspannungen in lamellarem TiAl6V4 hergeleitet, das aufgrund seiner Eigenschaften nicht röntgenographisch gemessen werden kann.
Aktualisiert: 2019-11-07
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