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Werkstoffsysteme für verstärkte und funktionsintegirerte Verbandstrangpressprofile
Dr.-Ing. Kay André WeidenmannInstitut für Angewandte Materialien Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Kaiserstr. 12 76131 Karlsruhe Telefon: 0721/608-44165 Telefax: 0721/608-48044 E-Mail: kay.weidenmann@kit.edu |
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Ziele
Wissenschaftliches Ziel des Teilprojektes war die Auswahl und Charakterisierung von Werkstoffsystemen für die Herstellung leichter und funktionsintegrierter Verbundstrangpressprofile. Diese sollten für die Anwendung optimierte Eigenschaften, wie eine hohe, absolute und spezifische Steifigkeit und eine Festigkeit bei bauteilnahen Beanspruchungen unter dynamischer, zyklischer und quasistatischer Last sowie eine gute Korrosionsbeständigkeit besitzen. Dabei stand am Ende des Projektes im Fokus, die Festigkeitseigenschaften durch eine geeignete Wärmebehandlung zu optimieren sowie die Werkstoffsysteme und -eigenschaften durch den Einsatz von Funktionselementen zu flexibilisieren
Zusammenfassung
In Phase I und II konnte die Herstellbarkeit von mit Federstahldraht (1.4310 – X10CrNi 18-8) verstärkten Strangpressprofilen mit unterschiedlichen Geometrien und aus verschiedenen Matrixwerkstoffen (EN AW-6060 (AlMgSi0,5), EN AW-6082 (AlMgSi1), AZ31 (MgAl3Zn1)) gezeigt werden. Des Weiteren wurden deutliche Fortschritte auf dem Gebiet der Einbringung nicht-metallischer Fasern am Beispiel von Aluminiumoxidfasern in Kooperation mit Teilprojekt A2 erzielt. Dabei konnten die Anwendungsgrenzen des Verbundstrangpressens bezüglich der kontinuierlichen Einbringung nicht-metallischer Fasern mittels Spezialwerkzeugen erstmals definiert werden. Die Grenzen konnten durch weitere Forschungsanstrengungen hinsichtlich weiterer einsetzbarer Werkstoffsysteme erweitert werden. Diese Maßnahmen wurden durch parallel erfolgende fertigungstechnische Maßnahmen in Teilprojekt A2 und auf Simulationsebene in Teilprojekt B1 flankiert. Um das Leichtbaupotenzial der Werkstoffsysteme voll auszuschöpfen, wurde die Festigkeit der eingesetzten Aluminiumwerkstoffe zielgerichtet eingestellt, durch eine an den Strangpressprozess anknüpfende prozessintegrierte Wärmebehandlung zielgerichtet gestaltet, und zusätzlich eine verbesserte Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften angestrebt. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund zu werten, dass die in Phase III neu eingebetteten, rein physikalischen Funktionselemente keine strukturmechanische Verstärkung der Profile ermöglichten. Dazu mussten Wärmebehandlungsmethoden und -Temperaturführungen im SFB/TR 10 etabliert werden, die es erlaubten, zumindest Lösungsglühen und Abschrecken mit Wasser in der Prozesskette zu integrieren. Damit konnte das Leichtbaupotenzial höherfester Legierungen voll ausgeschöpft werden. Die entsprechenden produktionstechnischen Herausforderungen wurden gemeinsam mit den Teilprojekten A2 und A4 in Phase III umgesetzt.
Neben dem werkstoffkundlichen Leichtbauaspekt lag bis zu diesem Zeitpunkt noch ungenutztes Potenzial in der Funktionselementintegration mittels Verbundstrangpressen. Dieses wurde in Phase III gemeinsam mit Teilprojekt A2 durch variable Querschnitte und eingebrachte Funktionselemente exploriert. Solche Elemente können elektrische Leiter oder Datenleitungen sein. Dabei musste deren Funktionalität auch während und nach einer mechanischen Kurzzeit- oder Dauerbelastung gewährleistet sein bzw. erhalten bleiben. Dies wurde in Teilprojekt A3 entsprechend charakterisiert. Zusätzliche Möglichkeiten ergaben sich hier durch eine Verknüpfung aus Funktions- und mechanischer Prüfung sowie bei der Frage nach eventuellen Verengungen oder unerwünschten Kontakten in isolierten Leiterbahnen. Ab 2010 stand dafür außerdem am IWK I die Mikrocomputertomographie zur Verfügung.
Des Weiteren wurde in Phase III ergänzend zu den bisher genannten Untersuchungen das Verhalten verbundstranggepresster Profile unter komplexeren Beanspruchungen charakterisiert. Dazu zählten dynamische Untersuchungsmethoden (Crashfall) als auch überlagerte Beanspruchungen sowohl auf rein mechanischer Basis als auch mechanisch überlagert mit korrosiver Beanspruchung. Im Bereich der dynamischen Belastungen wie sie im Crashfall auftreten können konnten gemeinsam mit den Teilprojekten A9 und C6 die in A3 gewonnenen Erkenntnisse auf Strukturbauelementmaßstab skaliert werden. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Qualifikation strukturmechanisch optimierter Profile für diesen Lastfall. Im Bereich der Schädigungsentwicklung strukturmechanisch optimierter Profile waren vor allem quasistatische und zyklische Rissausbreitungsuntersuchungen vorgesehen. Die Untersuchungen im Transferprojekt T1 zeigten hier zuvor entsprechendes Anwendungspotenzial für verstärkte Leichtbauprofile auf.