FormAl
Förderkennzeichen des IGF-Vorhabens: 01IF24660N
Praktische Problemstellung
Rührreibschweißen fügt Aluminium unterhalb der Schmelztemperatur – verzugsarm, emissionsfrei und mit feinkörnigem Gefüge in der Fügezone. Die dafür eingesetzten Stahlwerkzeuge sind jedoch aufwendig zu zerspanen und je nach Schweißaufgabe schon nach wenigen hundert Metern Verfahrweg verschlissen. Oxidkeramische Werkzeuge sind deutlich verschleißfester und ließen sich im keramischen Spritzguss kostengünstig in Serie fertigen – sie versagen aber spröde, wenn Spannungsspitzen auftreten.
Wissenschaftliche Problemstellung
Kritisch ist der Einfahrvorgang: Beim Eintauchen des kalten, rotierenden Werkzeugs überlagern sich hohe Axialkräfte mit thermischen Spannungen aus der ungleichmäßigen Erwärmung, mit einsetzendem Vorschub zusätzlich mit Biegespannungen. Eine unveränderte Übertragung der für Stahl üblichen Werkzeugauslegung führt daher nicht zu zuverlässigen Keramikwerkzeugen. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die Lastfälle mit jeder Änderung von Werkzeugkontur und Prozessparametern verschieben – Belastungsanalyse und Gestaltoptimierung müssen deshalb mit den Schweißversuchen in einem iterativen Prozess betrachtet werden.
Unser Beitrag: Simulation und Gestaltoptimierung am Fachgebiet iaf-mt
- Thermomechanische Finite-Elemente-Analyse des Einfahr- und Schweißvorgangs (Simufact, ABAQUS) liefern Temperaturfeld, plastische Verformung, Materialfluss und Spannungen im Werkzeug.
- Abbildung der Lastfälle aus den instrumentierten Schweißversuchen im FE-Modell und Eingrenzung der Prozessvarianten, die die Werkzeugbelastung beim Einlaufen reduzieren.
- Gestaltoptimierung der Werkzeugkontur und Aufnahme (TOSCA)
Zielsetzung
Angestrebt wird ein keramikgerecht gestaltetes Rührreibschweißwerkzeug aus kostengünstigem Aluminiumoxid, das den Prozessbelastungen standhält und hohe Standzeiten erreicht. Die Werkzeuge werden additiv gefertigt und experimentell sowie simulativ validiert; am Projektende steht ein serientauglicher Fertigungsweg über keramischen Spritzguss.
Beteiligte
- Professur Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, TU Chemnitz (instrumentierte Schweißversuche)
- iaf-mt, Universität Kassel (Simulation, Gestaltoptimierung)
- Forschungsinstitut für Glas – Keramik GmbH (FGK), Höhr-Grenzhausen (additive Fertigung, Werkstoffsystem)