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SFB/TR 10 - Integration von Umformen, Trennen und Fügen für die flexible Fertigung von leichten Tragwerkstrukturen
SFB/TR 10: A11 - Rührreibschweißen von Strangpressprofilen
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Sonderforschungsbereich Transregio 10 (SFB/TR10):"Integration von Umformen, Trennen und Fügen zur Fertigung flexibler Tragwerksstrukturen"Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs Transregio 10 (SFB/TR10) beschäftigt sich das iwb mit dem Fügen von leichten Tragwerkstrukturen aus Aluminium. In der seit Anfang 2007 laufenden, zweiten Förderphase wird das bisherige Teilprojekt A7 um ein neues Fügeverfahren erweitert. Zusammen mit den in der ersten Projektphase erarbeiteten Grundlagen für das Bifokal-Hybrid-Laserstrahlschweißen (BHLS) bildet das Rührreibschweißen (FSW) einen zweiten Schwerpunkt im neuen Teilprojekt A11 "Fügezentrum zur Integration von dreidimensionalen Naht- und Stoßgeometrien in Aluminiumtragwerksstrukturen". Ziel des Sonderforschungsbereichs Transregios 10 ist es, wissenschaftliche Grundlagen und Methoden zur Gestaltung von integrierten Prozessketten für die automatisierte und produktflexible Kleinserienfertigung leichter Tragwerkstrukturen bereitzustellen. Gemeinsam arbeiten sechs Institute und Lehrstühle, verteilt über die Standorte Dortmund, Karlsruhe und München, an der SFB/TR10-Prozesskette. Diese besteht aus den drei übergeordneten Bereichen Umformen, Trennen und Fügen. Das iwb beschäftigt sich dabei im Rahmen des Teilprojekts A11 mit der Integration verschiedener Fügeverfahren in die SFB/TR10-Prozesskette. Die flexible Fertigung von leichten Tragwerkstrukturen in der Kleinserie erfordert Fügeverfahren, die den Anforderungen an Automatisierbarkeit, Präzision und Prozessstabilität genügen. Es sollen Geometrien unterschiedlichster Ausprägung gefügt werden, zudem muss der Schweißverzug in einem vertretbaren Rahmen gehalten werden. Gleichzeitig bringt der Leichtbau immer neue Materialien und Materialkombinationen hervor. In diesem Spannungsfeld gilt es, den optimalen Schweißprozess für die jeweilige Fügeaufgabe auszuwählen. Nicht selten bedarf es dafür Ansätze, die weit über den Stand der Technik hinausgehen. Deshalb sind fortwährend Prozesserweiterungen, aber auch Prozesskombinationen und -neuentwicklungen notwendig. Rührreibschweißen - Friction Stir Welding (FSW)
Für das Fügen von Aluminiumstrukturen im Allgemeinen eignet sich besonders das Rührreibschweißen (engl. Friction Stir Welding - FSW). Es ermöglicht das Verschweißen von Bauteilen ohne ein Aufschmelzen der Werkstoffe. Diese Technologie zeichnet sich durch vergleichsweise geringen Verzug aus und benötigt weder Schutzgas noch Zusatzwerkstoffe.
Am iwb stehen für die Untersuchungen zwei verschiedene Anlagen zur Verfügung. Zum einen ein NC-Bearbeitungszentreum MCH250 der Firma Heller und ein Knickarmroboter KR500MT von Kuka. Das NC-Bearbeitungszentrum ist in der Lage sowohl spanende Bearbeitung als auch Schweißaufgaben durchzuführen. Durch die steife Konstruktion sind mit den NC-Bearbeitungszentrum höhere Einschweißtiefen als beim Roboter möglich. Der Vorteil des Roboters liegt hingegen in der Größe des Arbeitsraums und der höheren Bewegungsfreiheit.
Untersuchung des Rührreibschweißens von Verbundwerkstoffen
Im SFB/TR10 werden Verstärkungselemente in Aluminiumprofile eingebracht um damit die Werkstoffeigenschaften gezielt zu verbessern. So entsteht ein Verbundwerkstoff mit einer Matirx aus EN AW-6060 mit eingebetteten Endlosdrähten aus X10CrNi18-6 (1.4310) durch das Verbundstrangpressen. Dieser Verbundwerkstoff stellt traditionelle Schweißverfahren vor große Probleme. Da beim Rührreibschweißen keine Phasenübergänge zur Erzeugung des Stoffschlusses benötigt werden, ist das Verfahren prinzipiell in der Lage Stahl-verstärkte Profile zu fügen. Das nachfolgende Bild zeigt einen Querschnitt durch ein Flachprofile (Breite 56 mm, Dicke 5mm) mit sechs eingebetteten Verstärkungselementen (Durchmesser 1 mm).
Bei den Untersuchungen zeigt sich, dass die Nahtfestigkeit der verschweißten, verstärkten Profile etwas geringer als die Festigkeit des unverstärktem Vollmaterials ist. Der Grund dafür ist das Verhalten der Verstärkungselemente während des Schweißprozesses. Die Elemente können nicht miteinander verbunden werden und es entstehen kleine Splitter, die die Nahtfestigkeit leicht reduzieren. Trotz dieser Einbußen ist das Rührreibschweißen in der Lage die Profile miteinander zu verbinden. Übertragung des Rührreibschweißens auf Rechteck- und Rohrprofile
Das Rührreibschweißen wird derzeit bereits in der Fertigung von ebenen Bauteilen eingesetzt. In diesem Projekt wird untersucht, wie sich der Schweißprozess bei Profilen, wie zum Beispiel Rechteck- und Rohrprofilen, verändert. Auf Grund der prozessbedingten, hohen Prozesskräfte muss die Bauteileigensteifigkeit ausreichend groß sein. Ist dies nicht der Fall, so kommen in der Regel Kerne zum Einsatz, die die Prozesskräfte ableiten können. Hier gilt es Strategien zu untersuchen wie einerseits auf Kerne verzichtet werden kann und andererseits wie diese kenre bzw. die Spanntechnik im Allgemeinen gestaltet werden kann. Außerdem kommt es bei gekrümmten Schweißbahnen zu Veränderungen im Kontakt zwischen Werkzeugschulter und Bauteiloberfläche. Dies kann sowohl zur Änderung des Energieeintrags als auch zu einer Abweichung in der Nahtoberfläche führen. Die folgenden Bilder zeigen ein paar Exemplare von geschweißten Proben.
Eingesetzte Methoden
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