Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde

Fertigung und Bauteilverhalten

Kernkompetenz

Im Rahmen der Arbeiten der Abteilung "Fertigung und Bauteilverhalten" werden die Wechselwirkungen zwischen Fertigungsprozessen, Bauteilzustand und Bauteilverhalten bei mechanischen Beanspruchungen untersucht. Ziel ist es durch die Untersuchungen den Fertigungsprozess so einzustellen, dass ein optimaler Bauteilzustand erreicht wird. Die betrachteten Fertigungsverfahren stehen entweder in den fertigungstechnischen Laboratorien des IAM-WK zur Verfügung, oder werden im Rahmen von Kooperationen mit fertigungstechnischen Instituten bereitgestellt. Es werden dabei im Moment folgende Hauptgruppen der Fertigungsverfahren nach DIN untersucht:

Urformen

  • Additive Fertigung
  • Gießen

Trennen

  • Hochgeschwindigkeitszerspanen
  • Mikrozerspanen, Mikroerodieren
  • Laserablation

Stoffeigenschaften Ändern

  • Härten und Anlassen von Stählen
  • Einsatzhärten von Stählen
  • Induktive Wärmebehandlung
  • Laserstrahlhärten
  • Kugelstrahlen
  • Festwalzen
  • Laserschockbehandeln

Ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeiten der Abteilung „Fertigung und Bauteilverhalten“ ist die Charakterisierung fertigungsbedingter Bauteil- bzw. Werkstoffzustände. Hierbei werden die am IAM-WK zentralen Labore der "Materialographie" und des "Röntgenlabors" genutzt, um einen Einblick in das Gefüge, den Eigenspannungszustand sowie Defektstrukturen zu erhalten.

Daneben werden Einrichtungen des Wärmebehandlungslaboratoriums und der Laboratorien für die mechanische Werkstoffprüfung für die Ermittlung der Stabilität der Randschichtzustände bei thermischen, quasistatischen, zyklischen und kombinierten Beanspruchungen herangezogen. Zudem werden in den Laboratorien für die mechanische Werkstoffprüfung gemeinsam mit der Abteilung "Schwingfestigkeit" die Auswirkungen fertigungsbedingter Bauteilzustände auf die Festigkeit, insbesondere die Schwingfestigkeit, metallischer und keramischer Werkstoffe untersucht.

Einen weiteren wichtigen Schwerpunkt der Arbeiten in der Abteilung „Fertigung und Bauteilverhalten“ bildet die Simulation der Entstehung fertigungsbedingter Bauteilzustände bei unterschiedlichen Fertigungsschritten. Hierbei werden mit unterschiedlichen Finite-Element-Programmen (s. Numerische Simulation) vor allem thermisch-mechanisch gekoppelte Prozesse, gegebenenfalls unter Einschluss von Phasenumwandlungen, betrachtet und die nötigen Eingabedaten experimentell ermittelt (s. Fertigungstechnische Laboratorien).


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Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung aus der Hauptgruppe “Stoffeigenschaften ändern” umfasst Prozesse oder Prozessketten zur thermischen, thermochemischen und thermo-mechanischen Behandlung von Werkstücken. Dabei werden die in vielen Anwendungen wichtigen Bauteileigenschaften durch gezielte Heiz- und Kühlphasen und die sich dadurch einstellenden Phasenumwandlungen über die Gefügezusammensetzung, den Eigenspannungszustand und die Härte eingestellt. In der Wärmebehandlung unterscheidet man grundsätzlich zwischen Verfahren, die eine durchgreifende Gefügeumwandlung bewirken, und Verfahren, die lediglich eine Umwandlung an der Oberfläche eines Werkstücks verursachen. Zu den erstgenannten Verfahren gehören beispielsweise das Glühen und das Härten, d. h. die thermischen Verfahren. Die zweitgenannten Verfahren zählen zu den Diffusions- und Beschichtungsverfahren bzw. zu den thermochemischen Verfahren Die thermochemischen Randschichthärteverfahren zeichnen sich vor allem in der Serienfertigung durch eine signifikante Steigerung der Randschichthärten und Lebensdauern bei geringen Stückkosten aus. Ziel ist es hierbei, einerseits hohe Randschichthärten einzustellen, um den Verschleiß zu minimieren. Darüberhinaus werden die Gefüge- und Eigenspannungstiefenprofile gezielt eingestellt, die i.d.R. zu einer Lebensdauerverlängerung führen. Aktueller Fokus der Forschung liegt in der Optimierung von Wärmebehandlungsprozessen für schwerzugängliche Bauteile. Die Einstellung und Kontrolle von Mischgefügen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften stellt dabei einen wichtigen Aspekt dar. Ziel ist es hierbei, aus der Einstellung verschiedener Gefügeanteile verbesserte Ermüdungseigenschaften im Vergleich zu konventionellen Vergütungsprozessen zu erzeugen.

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Mechanische Oberflächenbehandlung

Die mechanische Oberflächenbehandlung umfasst eine Reihe von Verfahren aus der Fertigungshauptgruppe „Stoffeigenschaften ändern“, die zur Verbesserung des Bauteilverhaltens unter Betriebsbeanspruchung verwendet werden. Zu den mechanischen Oberflächenbehandlungen gehören beispielsweise das Kugelstrahlen, das Festwalzen, das maschinelle Oberflächenhämmern sowie einige andere Verfahren, die industriell maßgeschneidert eingesetzt werden. Durch die mechanische Oberflächenbehandlung eines Bauteils wird dessen Randschicht plastisch verformt, wodurch es lokal zur Kaltverfestigung und zur Ausbildung von Druckeigenspannungen kommt. Insbesondere die Prozesse Festwalzen und maschinelles Oberflächenhämmern können durch ihre deterministische Natur darüber hinaus zur Glättung und zur Strukturierung von Oberflächen genutzt werden. Eine Kombination aus glatter Oberfläche, Kaltverfestigung und Druckeigenspannungen ist dabei besonders bei der im Maschinen-, Automobil- und Flugzeugbau häufig anzutreffenden Ermüdungsbeanspruchung vorteilhaft zur Verbesserung der Lebensdauereigenschaften. Strukturierte, etwa bionische Oberflächen, können dabei auch zur Optimierung des Verschleißverhaltens erzeugt werden. Der Fokus der Forschungsarbeiten in der Abteilung „Fertigung und Bauteilverhalten“ liegt in der Neu- und Weiterentwicklung von Prozessen, der Identifikation der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Randschichtcharakteristika und Bauteilverhalten, sowie in der der numerischen Prozesssimulation und Modellbildung zur Vorhersage der Randschichteigenschaften und des Bauteilverhaltens. Des Weiteren befassen wir uns mit thermomechanischen Oberflächenbehandlungen, wie etwa dem Kugelstrahlen bei erhöhter Temperatur oder dem maschinellen Oberflächenhämmern bei Kryo-Bedingungen. Auch im Kontext der additiven Fertigung werden mechanische Oberflächenbehandlungen als finale oder innerhalb des Aufbaus geschaltete Prozesse eingesetzt, um Randschicht- und Bauteileigenschaften zu optimieren. Dies verdeutlicht die intensive Verflechtung der innerhalb der Abteilung „Fertigung und Bauteilverhalten“ betrachteten Fragestellungen.

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Additive Fertigung

Die Additive Fertigung (AM) zeichnet sich, im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren, durch den schichtweisen Aufbau der dreidimensionalen Form des Bauteils direkt aus der CAD-Geometrie aus. Grundmaterialien sind hierbei Metallpulver, Metall- oder Polymerfilamente sowie Harze und Tinten die durch Energiezufuhr oder chemische Vernetzung konsolidiert werden. Als Energiequellen kommen heute hauptsächlich laser- oder Elektronenstrahlquellen sowie elektrisch oder induktiv geheizte Extrusionsköpfe zum Einsatz. Durch die direkte Herstellung des Bauteils ohne geometriegebundene Werkzeuge oder Formen, kommt der additiven Fertigung insbesondere im Bereich des Advanced Manufacturing eine Vorreiterrolle zu. Die durchgehende Digitalisierung und Automatisierung der Prozesskette, die Produkte mit hoher Designkomplexität sowie die Möglichkeit zur Funktionsintegration ermöglichen der additiven Fertigung in verschiedenen Anwendungsbereich eine immer intensivere Nutzung als innovative Technologie. Additiv gefertigte Bauteile weisen aufgrund des schichtweisen Aufbaus mit spezifischer Belichtungs- oder Ablagestrategie des Grundwerkstoffs neben einer charakteristischen Gefügestruktur ebenfalls prozessbedingte Defekte (Poren, Lunker, Risse) auf. Dabei ist die Kenntnis über die Entstehungsgründe in Zusammenhang mit der Prozessführung sowie die Auswirkung auf Bauteileigenschaften und Bauteilverhalten grundlegend für die Anwendbarkeit als additiv gefertigt Strukturbauteile. Gleichzeitig bietet die stark lokalisierte Prozesszone (z. B. im Schmelzbad oder bei der Filamentextrusion) die Möglichkeit die Gefüge und Defektstrukturen gezielt zu steuern. Hierbei ist eine prozessseitige genaue Kontrolle der Temperaturhistorie und der Belichtungs/Ablagestrategie vom Schmelzbad über die Einzelschicht bis hin zum Gesamtbauteil notwendig. Aufgrund dieser komplexen Zusammenhänge in den Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ist insbesondere die Reproduzierbarkeit und Prüfung additiv hergestellter Bauteile noch ein weitgehend offenes Forschungsfeld.

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simu iam-wk
Werkstoffmodellierung und Prozesssimulation
ct iam-wk
Zerstörungsfreie Werkstoffcharakterisierung