FOSTA-Berichte

P 1589 - Entwicklung eines methodischen Ansatzes zur Vermeidung der Spritzerbildung beim Widerstandsschweißen durch multiparametrische Prozessanalyse mittels künstlicher Intelligenz Bei der Realisierung ressourcenschonender, bezahlbarer Mobilität spielen Leichtbaukonzepte aus modernen höchstfesten Stahlblechwerkstoffen eine bedeutende Rolle. Das Widerstandspunktschweißen (WPS) ist ein häufig verwendetes Verfahren zum Fügen dieser Werkstoffe. Beim WPS können die unter Realbedingungen auftretenden Störgrößen (z.B. Bauteiltoleranzen) auch bei ideal parametrierten Schweißprozessen zum Entstehen von Schweißspritzern führen und so die Verarbeitungssicherheit gefährden. Schweißspritzer reduzieren das Schweißlinsenvolumen und führen so häufig zur Unterschreitung der festgelegten Sollpunktdurchmesser. Um einen Festigkeitsabfall durch solche ungenügenden Schweißpunkte grundsätzlich auszuschließen, werden mehr Schweißpunkte gesetzt als notwendig, sodass ein erhöhter Kosten- und Produktionsaufwand resultiert. Die Zielsetzung des Forschungsvorhaben besteht folglich in der Erforschung und Entwicklung eines methodischen Ansatzes zur Vorhersage des Spritzerauftretens. Darüber hinaus ist die Erarbeitung einer Methode zur Vermeidung von Schweißspritzern erstrebenswert. Dazu sollen zunächst realitätsnahe Ursachen von Spritzerbildungen (u.a. Randnähe, Spaltbildung) mittels KI-gestützter mehrparametrischer Analyse der Prozessgrößenverläufe eindeutig charakterisiert werden. Anschließend werden Informationen zu einem möglichen Spritzerauftreten abgeleitet und ein idealer Zeitpunkt zur Stromabschaltung prognostiziert. Damit wird ein maximaler noch spritzerfreie Schweißpunktdurchmesser erzielt. Die zum Anlernen der KI erforderlichen Datenbestände werden im Rahmen von umfassenden experimentellen WPS-Versuchen am LWF Paderborn sowie FE-Simulationen am Fraunhofer IPK generiert. Ergänzend werden über den aktuellen Stand der Technik hinaus Auswirkungen auf die Verbindungstragfähigkeit und Elektrodenstandmenge in Abhängigkeit der jeweiligen Spritzerursache ermittelt. Die Ergebnisse ermöglichen KMU in der blechverarbeitenden Industrie, moderne Stahlwerkstoffe besser einzusetzen und sich somit Wettbewerbsvorteile zu erarbeiten. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Autoren: K. Yang, M.Sc., Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Meschut, B. El-Sari, Dr.-Ing. M. Biegler, Univ.-Prof. Dr.-Ing. M. Rethmeier

P 86 1.1 - Brandlasterhebung in Industriehallen Veröffentlichung: 1984 Autoren: Prof. Dr.-Ing. habil. U. Schneider, Dipl.-Ing. U. Max

P931 - Numerische Optimierung des Tiefziehprozesses beim Einsatz von Ziehsicken durch die Entwicklung eines fundierten erweiterten Ersatzmodells Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Erstellung und Validierung eines numerischen Ersatzmodells für Ziehsicken, welches neben den Kraft- und Reibungsverhältnissen die durch den Sickendurchlauf entstehenden Vorverformungen und Verfestigungen im Blechwerkstoff berücksichtigt. Dabei ist die exakte und umfassende experimentelle Abbildung der tatsächlichen Verhältnisse sowie des Umformverhaltens beim Tiefziehen verschiedener Blechwerkstoffe in Werkzeugen mit Ziehsicken ein besonderer Themenschwerpunkt. Die spannungsinduzierten Verfestigungen, die durch die Einflüsse der Sicke im Material entstehen, bedingen eine Erhöhung der Kräfte im Werkzeugsystem. Diese werden durch die numerische Auslegung des Prozesses meist nicht  ausreichend berücksichtigt, da hier häufig Ersatzmodelle im Einsatz sind. Diese betrachten lediglich die Rückhalte- und Niederhalterkräfte und nicht das tatsächliche Materialverhalten. Diese Gegebenheiten und ihre Wechselwirkungen sollen in die Betrachtungen einfließen. Mit dem Ziel, das Ersatzmodell und die Eingangsgrößen für eine Simulation zu optimieren. Mehrere experimentelle Untersuchungen zur Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften der vorliegenden Blechwerkstoffe DX56D+Z (1.0963) und HCT780X (1.0943) sind erfolgt. Numerische Simulationen der Charakterisierungsversuche ergänzen die Experimente für eine realitätsnahe Abbildung des Materialverhaltens im Prozess. Die Kraftund Reibungsverhältnisse sollen unter Zuhilfenahme eines entsprechenden Umbaus eines Reibprüfstands mit modifizierten Werkzeugen erfasst werden und zur Optimierung der Eingangsgrößen für eine FEM-Simulationssoftware dienen. Die auftretenden Zug-, Druck- und Biegespannungen sowie deren  Überlagerungen aus dem realen Tiefziehprozess sollen experimentell an geeigneten Versuchsanlagen nachgebildet und die Einflüsse auf das Materialverhalten mittels FEM-Simulationen verifiziert werden. Die in dem beantragten Forschungsprojekt angestrebten Ergebnisse werden in einem eindeutig definierten Umfang zur Weiterentwicklung von Produkten beitragen. Neben Produkten, die von Softwareentwicklungsfirmen Anwendern  bereitgestellt werden sind hier die Herstellung von Werkzeugen und Maschinen für die Umformtechnik und die mittels Umformverfahren, speziell dem Tiefziehen von Blechwerkstoffen erzeugten Komponenten, zu erwähnen. Da aufgrund optimierter Eingangsgrößen Prozesse und Verfahren qualitativ besser ausgelegt werden können, ist ebenfalls eine genauere Konzipierung, Konstruktion und Fertigung von Maschinen und Werkzeugen erreichbar. Hieraus lässt sich eine Reduzierung der arbeitszeitlichen, personellen, materiellen und finanziellen Ressourcen für kleine und  mittelständische Unternehmen ableiten. Verbesserte Produkte, z. B. Simulationssoftware, Umformwerkzeuge und Umformmaschinen bieten im Umkehrschluss die Möglichkeit, die Verfahren zur numerischen und konstruktiven Auslegung eines Umformprozesses weiter zu entwickeln und zu optimieren. Autoren: Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens, M.Sc. H. Schulze Veröffentlichung: 2018

P 923 - Aufbringen von Verschleißschutzschichten bis 5 mm Dicke aus Metall- Hartstoff-Pulvermischung mittels Widerstandsschweißen Zum Schutz vor Verschleiß durch äußere Einflüsse werden Bauteile häufig mit schützenden Beschichtungen versehen. Bei metallischen Bauteilen, insbesondere bei starker mechanischer Belastung, geschieht dies häufig durch das Aufschweißen von Schichten mit entsprechend guten Verschleißeigenschaften, dem so genannten Panzern durch Auftragsschweißen. Üblicherweise kommen dabei lichtbogenbasierte Schweißprozesse, wie das Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG) oder das Unterpulver-Schweißen (UP) zum Einsatz. Diese Verfahren besitzen den Nachteil einer relativ hohen Energieeinbringung und einer damit einhergehenden hohen thermischen Belastung für die verwendeten Werkstoffe. Im Bereich des zu schützenden Bauteils bedeutet das, dass der Einsatz von höherwertigen Stählen nicht unbedingt sinnvoll ist, da die z.T. aufwendig eingestellten Werkstoffeigenschaften durch die Wärmeeinbringung verschlechtert werden. Man greift somit auf einfachere Stahlsorten zurück, womit ein großes Leichtbaupotential verloren geht. Im Bereich der Beschichtungswerkstoffe können aufgrund der hohen Prozesstemperaturen lediglich die Hartstoffe zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit verwendet werden, die sich während des Auftragsschweißens nicht zersetzen. Solche Hartstoffe sind üblicherweise aber recht kostspielig. Im Rahmen dieses Vorhabens wurde das Verfahren des Auftragsschweißens mittels Widerstandsschweißen untersucht. Dabei wird mittels konduktiver Widerstandserwärmung eine Mischung aus Hartstoffpulver und einem Matrixpulver auf Eisenbasis zu einer geschlossenen Schicht verschweißt und gleichzeitig auf ein Substrat aufgetragen. Die im Vorhaben verwendeten preiswerten Hartstoffe sind neben Siliziumkarbid und Zirkonmullit hauptsächlich solche auf Basis von Aluminiumoxid. Als Matrixwerkstoffe kommen maßgeblich Eisenpulver sowie Gusseisenpulver zum Einsatz. Die erreichbaren Schichtdicken liegen bei ca. 3 mm und erreichen bei entsprechendem Verschleißmechanismus eine deutliche Erhöhung der Verschleißbeständigkeit. Durch einen mehrlagigen Aufbau der Auftragsschicht lassen sich größere Schichtdicken realisieren. Der Aufmischungsgrad liegt dabei weit unter denen von konventionellen Auftragsschweißverfahren, die Wärmeeinflusszone ist ebenfalls deutlich kleiner. In weiterführenden Untersuchungen sind die weitere Optimierung der Verschleißeigenschaften, die Entwicklung von kontinuierlichen Verfahren zum Beschichten größerer Flächen sowie die direkte Erzeugung konturierter Flächen denkbar. Das IGF-Vorhaben 17421 N der FOSTA – For-schungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde vom Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen durchgeführt. Veröffentlichung: September 2018 Autoren: Prof. Dr.-Ing. U. Reisgen, Dipl.-Ing. A. Schiebahn

P920 - Einsatz neuartiger Stähle und Generierung gradierter Leichtbaustrukturen im Presshärteprozess Für die Herstellung von höchstfesten Stahlbauteilen innerhalb einer Fahrzeugkarosserie wird nach aktuellem Stand der Technik zumeist das Presshärteverfahren eingesetzt. In diesem thermomechanischem Herstellverfahren wird eine Formplatine zunächst über die Aus-tenitisierungstemperatur des Stahlwerkstoffs erwärmt, um dann im nachfolgenden Prozessschritt eine Umformung in die spätere Bauteilgeometrie bei gleichzeitiger Härtung des Gefüges zu erfahren. Hierdurch können sehr komplexe Bauteile mit Bauteilfestigkeiten >1500MPa hergestellt werden. In der Praxis wird hier standardmäßig der Werkstoff 22MnB5 eingesetzt, der nach dem Prozess auf einem Festigkeitsniveau von ca. 1500MPa–1600MPa liegt. Neuere Entwicklungen verfolgen hier eine weitere Steigerung der Festigkeit nach dem Prozess. Durch die gezielte Modifikation von Prozessparametern innerhalb der Herstellungsroute des Presshärtens können darüber hinaus ebenfalls Bereiche mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften innerhalb einer Bauteilkomponente hergestellt werden. Durch diese Möglichkeit kann eine belastungsorientierte Bauteilgestaltung erfolgen, die einen Schlüsselfaktor zur Herstellung gewichtsoptimierter und damit ressourcenschonen der und effizienter Karosseriekomponenten darstellt. Prozess aber auch werkstofftechnischer Natur sind aktuell die Optionen zur Herstellung unterschiedlicher mechanischer Eigenschaftsniveaus im Bauteil bis datobegrenzt, so dass das mögliche Leichtbaupotential durch den Prozess nicht vollends ausgeschöpft werden kann. In diesem Forschungsprojekt soll dieser mögliche Eigenschaftsbereich daher durch eine geziel-te Werkstoffentwicklung eines Werkstoffs und eine Prozessmodifikation hin zu niedrigeren Festigkeiten erweitert werden. Aufgrund der Vielzahl an Einflussgrößen werden die Arbeiten der Projektrouten durch geeignete Simulationen begleitet. Ziel ist eine resultierende Zugfestigkeit im Bauteil nach dem Prozess von ca. 1200MPa–1300MPa zu generieren. Eingesetzt wird die Simulationssoftware JMatPro, mit der die mech. Eigenschaften in Abhängigkeit der Prozessparameter und der Legierungszusammensetzung bestimmt werden können. Die Bestimmung der Prozessparameter für einen partiellen Austenitisierungsprozess wird parallel durch eine experimentelle Prozess-fensteruntersuchung validiert. Auf Basis der Simulationen werden Werkstoffabgüsse des neu zu entwickelnden Werkstoffs angefertigt und charakterisiert. Final werden die zwei Entwicklungsrouten im Bauteiltest validiert und vergleichend bewertet. Beide Entwicklungsrouten konnten während der Projektlaufzeit erfolgreich umgesetzt und final am Bauteil validiert werden. Die Werkstoffeigenschaften lagen innerhalb der anvisierten mechanischen Eigenschaften, wobei sich die Mikrostruktur des Werkstoffs für die zwei Routen deutlich voneinander unterschied. Hierdurch änderte sich das Fließverhalten des Werkstoffs. Auf Basis der experimentellen Untersuchungen ist daher der Einsatz der Prozessroute Werkstoffentwicklung aufgrund der homogenen Gefügeausbildung und sehr guten Verformungseigenschaften deutlich zu empfehlen. Das Forschungsvorhaben wurde am Lehrstuhl für Leichtbau im Automobil der Universität Paderborn mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt. Veröffentlichung: Januar 2019 Autoren: Prof. Dr. rer. nat. T. Tröster, Dr.-Ing. T. Marten

P747 - Technisch-wirtschaftlicher Vergleich von Slim-Floor Decken und konventionellen Bauweisen von Flachdeckenkonstruktionen Flachdecken bieten gegenüber Unterzugdeckensystemen durch die freie Grundrissgestaltung, reduzierte Geschosshöhen, der einfachen und schnellen Schalung und der leichteren Führung von Installationsleitungen  viele Vorteile. Die Flachdecken können hierbei in Stahlbeton sowie in Stahlbeton-Verbundbauweise (Slim-Floor Decken) hergestellt werden. Slim-Floor Decken in Verbund spielen jedoch derzeit in Deutschland nur eine untergeordnete Rolle. Ziel der Studie ist es daher, die Wirtschaftlichkeit der Slim-Floor Decken mit konventionellen Stahlbetonflachdecken zu vergleichen. Anhand verschiedener Flachdeckensystemen werden neben einer Massen- und Kostenuntersuchung auch die Bauzeiten miteinander verglichen und jeweils die Vorteile an einzelnen Bauweisen herausgearbeitet. Veröffentlichung: 2008 Autoren: Prof. Dr.-Ing. U. Kuhlmann, Dipl.-Ing. G. Hauf, Dr.-Ing. N. Sauerborn

P707 - Charakterisierung und Optimierung des makroskopischen Reinheitsgrades in hochbeanspruchten Stählen durch Einsatz der US-Tauchtechnik-Prüfung Einschlüsse in Stahlbauteilen sind eine der häufigsten Versagensursachen unter zyklischer Belastung. Um das Risiko durch Einschlüsse zu minimieren, sind die Anforderungen an den Reinheitsgrad von Stählen in den letzten Jahren stetig gestiegen. Eine Möglichkeit zur Kontrolle des makroskopischen Reinheitsgrades ist die Ultraschalltauchtechnik. Mit einer minimal detektierbaren Vergleichsfehlergröße von 0,3 mm KSR stellt sie eine deutliche Verbesserung im Vergleich zur Durchlaufprüfung (minimal detektierbare Vergleichsfehlergröße 0,7 mm KSR) dar; jedoch kann auch sie nur zur Bewertung des makroskopischen Reinheitsgrades  herangezogen werden. Der mikroskopische Reinheitsgrad kann durch lichtoptische Verfahren beschrieben werden. Statistische Untersuchungen nach ASTM E 2283 – 03, die im Rahmen dieses Projektes durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass das Auftreten globularer Oxide, deren Durchmesser größer als 30 m ist, extrem unwahrscheinlich ist. Es bedeutet also, dass über Einschlüsse deren Durchmesser im Bereich zwischen 30 ?m und 0,3 mm KSR (entspricht ca. 100 ?m Einschlussgröße) liegt, keine Aussagen bezüglich der Häufigkeit ihres Auftretens gemacht werden können. Dies ist besonders kritisch, da bereits Einschlüsse ab 30 ?m in hochdruckbeanspruchten Bauteilen zum Versagen führen können. Dennoch stellen Einschlüsse mit Durchmessern zwischen 30 m und 100 m ein besonderes Risiko dar, da diese weder mittels US-Prüftechnik noch durch Statistik erfasst werden können. In diesem Projekt konnte gezeigt werden, dass mit den derzeit verfügbaren Techniken dieser Bereich definitiv nicht abgedeckt werden kann. Die mittels Ultraschall gefundenen Einschlüsse konnten im Rahmen der Untersuchungen als mitgerissene Schlacke identifiziert werden. Eine Korrelation der seltenen makroskopischen Einschlüsse mit der Herstellungsroute mit einem anschließenden Vergleich der verschiedenen Stähle wurde aufgrund der geringen Datenlage verworfen. Die mikroskopischen Einschlüsse konnten dagegen in zwei Gruppen eingeteilt werden. Langgestreckte Mangansulfide und globulare Aluminiumoxide. Die erste Gruppe wird durch die hohen Schwefelgehalte verursacht, während die zweite Gruppe ein Resultat des Desoxidationsprozesses ist. Nach Rücksprache mit dem PbA wurde entschieden, die Wirkungsweise einzelner Einschlüsse auf die mechanischen Eigenschaften genauer zu untersuchen. Dafür wurde eine neue Methodik der Zielpräparation entwickelt. Durch die Kombination der Ergebnisse der US-Tauchtechnik Untersuchungen und der 3D Röntgentomographie war es möglich, Kleinstzugproben zu präparieren, die definierte Einschlüsse enthielten. Die Form der Einschlüsse konnte auf diese Weise dreidimensional erfasst werden. Durch den Vergleich von fehlerfreien Proben und Proben mit Einschlüssen konnten Tendenzen für die Wirkungsweise von Einschlüssen aufgezeigt werden. So führt ein Schlackeneinschluss in einer Zugprobe zu einem Anstieg der Festigkeitswerte und einer Reduktion der Bruchdehnung. Bei der Untersuchung der zyklischen mechanischen Eigenschaften gelang es aufgrund der geringen Probenzahl nicht, eine eindeutige Korrelation nachzuweisen. Anhand von FE – Simulationen in ABAQUS konnte gezeigt werden, dass das Einschlussvolumen nicht die einzig entscheidende Größe für die Bewertung des Reinheitsgrades sein kann. Parameter wie Form, Verteilung und insbesondere die Kombination von beiden Parametern beeinflussen die mechanischen Eigenschaften ebenfalls in einem hohen Maße. Durch Röntgentomographie gewonnene 3D Daten von Einschlüssen können in Zukunft direkt in die FE – Simulation einfließen. Diese Vorgehensweise bietet die Möglichkeit, neue Ansätze für Schädigungsmodelle zu  entwickeln. FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. Veröffentlichung: 2015 Autoren: Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. Bleck

P612 - Entwicklung und Bemessung eines neuen modularen Antennentragwerkes Für die neuen Mobilfunknetze besteht ein sehr hoher Bedarf an schnell und wirtschaftlich zu errichtenden Antennentragwerken. Hierzu sollte im Rahmen dieses  Forschungsvorhabens ein einfaches, typengeprüftes, seriell einsetzbares System entwickelt werden. Geforderte Merkmale waren eine modulare, unauffällige Bauweise mit Abschirmung, die bewirkt, dass die Funkstrahlung deutlich unter den gesetzlich geforderten Grenzwerten liegt. Das Oberverwaltungsgericht (OVG) Münster hat mit Beschluß vom 5.3.2003 bereits höhere Anforderungen sowohl hinsichtlich „optischer Auswirkungen“ der Sendeanlagen als auch hinsichtlich der Strahlenemissionen verlangt. Vor diesem Hintergrund gewinnen die hier vorgestellten Forschungsergebnisse zusätzliche Aktualität. Entwickelt wurde ein Tragwerksystem, das unterschiedliche Bauhöhen bei sonst gleicher Bauart zuläßt. Es besteht aus typisierten Modulen mit gleichen Verbindungsflanschen für alle Systemlängen. Durch den Einbau von ein bis zwei Abschirmmodulen können auch verschärfte Grenzwerte der Funkabstrahlung sicher eingehalten werden. Das Antennentragwerk kann als komplette, fertige Liefereinheit zur Baustelle gebracht und dort mittels eines Krans direkt auf einer vormontierten Unterkonstruktion befestigt werden. Bei der Lastermittlung und Bemessung des Antennentragwerkes wurde für alle geplanten Bauhöhen der gleiche Tragrohrquerschnitt gewählt. Wichtig ist der Nachweis gegen wirbelerregte Querschwingungen. Diese können quer zur Windrichtung hohe Lastspielzahlen erreichen. Das Tragwerk muss deshalb dauerfest bemessen werden. Die Statik wurde für Windlastannahmen nach E DIN 1055-4 und DIN 4131 bzw. 4133 und bereits für die neue E DIN 1055-4 ausgelegt, wobei die maßgebenden aerodynamischen Beiwerte in umfangreichen Windkanalversuchen ermittelt wurden. Das System wurde vom Prüfamt für Baustatik des Landes NRW typengeprüft. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das dynamische Verhalten in Folge Windeinwirkung neben der Antennenauslegung maßgeblich von der Unterkonstruktion bestimmt wird. Für die Gültigkeit der oben genannten Statik muss daher eine minimale Steifigkeit der vorhandenen Unterkonstruktion sichergestellt werden. Diese ist zus ätzlich vom Standortplaner nachzuweisen. Die Montage des Antennensystems ist an fast allen Dachstandorten und beliebigen Dachformen möglich. Die jeweils vor Ort erforderlichen Schnittgrößen für die Unterkonstruktion lassen sich aus einer einfachen Tabelle ablesen. Damit wird die Herstellung und der Zusammenbau des Systems durch die Möglichkeit einer Vorfertigung der Module erheblich beschleunigt und zudem kostengünstiger. STUDIENGESELLSCHAFT STAHLANWENDUNG e. V. Veröffentlichung: 2003 Autoren: Dr.-Ing. M. Hortmanns, Dipl.-Ing. S. Stark