ThermAl

IGF-Vorhaben: 22868 N
Zeitraum: 01.03.2023 bis 28.02.2026

Wärmetauscher aus hartgelöteten Aluminiumlegierungen werden zunehmend an der Grenze ihrer Belastbarkeit betrieben. Bei Ladeluftkühlern für Nutzfahrzeuge erhöhen höhere Spitzentemperaturen den Wirkungsgrad der Verbrennung; bei Kombi-Klimaanlagen im ÖPNV erfordert der Ersatz des Kältemittels R-134a (GWP = 1400) durch CO₂ (GWP = 1) deutlich höhere Betriebsdrücke, die derzeit nur mit Kupferrohren beherrscht werden. In beiden Fällen bestimmt die thermomechanische Ermüdung dünnwandiger Aluminiumkomponenten die zulässige Auslegung.

Das inhomogene Temperaturfeld eines Wärmetauschers induziert bei behinderter Wärmedehnung ein inhomogenes Dehnungsfeld, das sich der mechanischen Belastung überlagert. Aufgrund der endlichen Wärmeleitung und der Steifigkeit der Struktur sind Temperatur- und Dehnungsverlauf nicht in Phase. Diese bauteilspezifische Phasenverschiebung beeinflusst die Lebensdauer wesentlich, wird von den gängigen, linear-elastisch formulierten Auslegungsverfahren jedoch nicht erfasst. Die Lebensdauer wird deshalb bislang empirisch anhand von Prototypenversuchen abgeschätzt. Erschwerend kommt hinzu, dass belastbare Kennwerte zur thermomechanischen Ermüdung überwiegend für aushärtbare Al-Gusslegierungen vorliegen; für die in Wärmetauschern eingesetzten naturharten, lötbaren Knetlegierungen der 3xxx-Gruppe sind sie wegen abweichender Schädigungsmechanismen nur eingeschränkt übertragbar.

Das Vorhaben verbindet eine durchgängige Versuchskette mit einem begleitenden Finite-Elemente-Simulationsmodell. Sie reicht von Mikroproben mit Prüfquerschnitten ≤ 1 × 1 mm², die an versagenskritischen Bauteilpositionen entnommen werden, über thermomechanische Versuche an Blech- und Rundproben (T = 50–300 °C, Heiz- und Abkühlraten ≈ 10 K/s, definierte Phasenlagen) bis zu bauteilnahen Prüflingen. Deren Konzept besteht darin, ein dünnes Aluminiumblech im serienüblichen CAB-Verfahren flächig auf einen massiven Prüfkörper zu löten. Der Prüfkörper wird induktiv erwärmt und über eine zentrale Bohrung gekühlt; über Induktorgeometrie und zeitliche Abstimmung von Heizung und Kühlung lassen sich Temperaturgradient und Phasenverschiebung gezielt einstellen.

Ein ausgehöhlter, mit Stickstoff beaufschlagter Prüfkörper erlaubt zusätzlich die Überlagerung einer mehrachsigen mechanischen Last. Auf allen Maßstabsebenen wird das Dehnungsfeld mittels digitaler Bildkorrelation erfasst, was die quantitative Verknüpfung lokaler Beanspruchungen mit der beobachteten Schädigung ermöglicht.

Angestrebt wird ein validiertes, praxistaugliches Lebensdauermodell, dessen Eingangsgrößen sich aus einer linear-elastischen FE-Analyse oder einer analytischen Spannungsanalyse ableiten lassen und das bereits in der Designphase anwendbar ist. Verfolgt wird ein semi-empirisches Modell, das die Beanspruchung über thermische Kenngrößen abbildet. Das Versagensverhalten der Lötverbindung wird über ein Kohäsivzonenmodell berücksichtigt. Die ermittelten Werkstoffdaten werden in einem maschinenlesbaren, PMD-kompatiblen Format bereitgestellt.

Download: Diagramm als SVG-Datei

Das Vorhaben wird gemeinsam bearbeitet vom 

• Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik, Fachgebiet Maschinenelemente und Tribologie (iaf-mt) der Universität Kassel 

• Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg 

Unter anderem wirken folgende Industriepartner mit:

• AKG GmbH (Ladeluftkühler, Hartlöten der Prüfelemente, Thermografie)

• KONVEKTA AG (Bus-Klimaanlagen, Rohrgeometrien, Druckbeaufschlagung)

• GOM GmbH

• HAUGG Kühlerfabrik GmbH

• Hydro Aluminium Deutschland GmbH
• Imprintec - Material Testing Solutions
• Linde Engineering GmbH
• Rolls Royce Solution GmbH