P 633 - Detaillösungen bei Ermüdungsfragen und dem Einsatz hochfester Stähle bei Offshore-Windenergieanlagen

P 632 - Herstellung von Schraubenfedern aus Rohrmaterial Schraubenfedern werden im Wesentlichen auf Torsion beansprucht. Das Material nahe der Drahtachse bleibt weitgehend ungenutzt. Durch Verwendung von Rohrmaterial ist eine Verringerung der Federmasse um 20 – 40 % bei gleicher  Federfunktion erreichbar. Voraussetzung für diese Substitution ist die Verfügbarkeit von hochwertigem Rohrmaterial mit analogen Festigkeitseigenschaften wie Federstahldraht. In dem Forschungsvorhaben wurde ein nahtloses Rohr aus dem Stahl 70Mn7 verwendet. Zur Erstellung der kontinuierlichen Umwandlungsschaubilder wurden die erforderlichen Abkühlkurven ermittelt, Härtemessungen durchgeführt und  Schliffe zur Gefügebestimmung angefertigt. Das Rohrmaterial lag in unterschiedlichen Abmessungen und Behandlungszuständen vor. Es wurden die genauen Abmessungen, die Oberflächenrauhigkeit und die mechanischen Kennwerte im Zugversuch ermittelt. Außerdem sind metallographische Untersuchungen durchgeführt worden. Anhand von Untersuchungsergebnissen der Drahtvergütung wurde der Temperaturbereich für die Rohrvergütung auf Anlasstemperaturen zwischen 350 und 500°C eingegrenzt. Es wurde festgelegt, das Rohr im weichen Zustand zur Feder zu formen und danach auf die gewünschte Festigkeit zu vergüten. Aus den Ergebnissen von Rauheitsmessungen konnte eindeutig gefolgert werden, dass nur ein Ziehen mit Innenwerkzeug zu einer Innenoberfläche führt, die für die Herstellung einer dynamisch belasteten Rohrfeder geeignet ist. Zusätzlich wurde bei einem Teil des Rohres zwischen zwei Ziehstufen das Rohr innen geschält. Die Rohrendabmessung betrug 10 x 2,0 mm. Zur Prüfung der Federn wurden zwei Geometrien (w = 8 und w = 5) mit den zwei Umformtechnologien Wickeln und Winden gefertigt. Beim Winden wurde eine geringe Querschnittsverformung des Rohres durch den Druck der Einzugswalzen und die Biegung des Rohres auf den Kreisbogen festgestellt. Die nachfolgende Behandlung bestand im Härten der Feder, Anlassen, Kugelstrahlen und nochmaligem Anlassen. An einem Teil der Federn wurden die Endwindungen angeschliffen. Die Wärmebehandlung wurde so durchgeführt, dass sich eine Festigkeit von Rm ca. 1700 MPa ergab. Die Federprüfung umfasste die Ermittlung der Kennlinie, des Relaxationsverhaltens und der Schwingfestigkeit. Letztere sollte zeigen, dass Federn aus Rohrmaterial generell auch für den Einsatz bei schwingender Beanspruchung geeignet sind (Einfluss der Innenoberfläche). Die Lastwechseltests wurden mit einer Hubspannung (korrigiert) von 650 MPa (?ku = 300 MPa, ?ko = 950 MPa) durchgeführt. Die besten Testergebnisse wurden mit Federn mit nicht geschliffenen Endwindungen aus innen geschältem Rohr erreicht. Hier gab es Lastwechselzahlen bis 14 Mio. ohne Bruch. Die Federn aus nicht geschältem Rohr zeigten Ausfälle bereits unter 100.000 Lastwechseln. Die Bruchursache war auf die ungenügende Qualität der Innenoberfläche zurückzuführen. Bei den Federn mit angeschliffenen Endwindungen traten Brüche der Endwindungen auf. Als weitere notwendige und Erfolg versprechende Forschungsrichtungen ergeben sich: ⇒ die Verwendung von Material höherer Festigkeit (hochfester Federstahl), ⇒ die weitere Verringerung der Wandstärke des Rohres und damit noch größere Materialeinsparung, ⇒ die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei der Rohrherstellung. Autoren: G. Lehmann, F. Hoffmann, H. J. Schorcht, S. Lutz Veröffentlichung: 2007

P 630 - Herstellung von leichten Compositebehältern mit extrem dünnwandigen Edelstahlkernbehältern zur Druckspeicherung von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von sehr leichten Compositebehältern mit hohem Speicherwirkungsgrad für die mobile Speicherung und den Transport von Druckgasen. Bevorzugtes Anwendungsgebiet für derartige Behälter ist die temporäre Speicherung der Energiegase Erdgas,  Methan und Wasserstoff zur Versorgung von Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen, aber auch ihr Einsatz für andere Industrie- uns Spezialgase wie z.B. die Verteilung von Sauerstoff in der Medizintechnik. Eine besondere Aufgabe bei diesem Forschungsvorhaben bestand darin, als Werkstoff für den metallischen Kernbehälter (den sog. Liner) nichtrostende Stahlqualitäten einzusetzen, da diese im Vergleich zu konventionellen Behälterwerkstoffen einige signifikante Vorteile besitzen. Für ihre Verarbeitung existieren zahlreiche, erprobte Fertigungstechnologien. Sie besitzen eine hervorragende Oberflächenqualität, sind korrosionsbeständig und haben, soweit es sich um metastabile, austenitische Edelstähle handelt, ein großes Verfestigungspotenzial. Das Gesamtprojekt bestand aus zwei Teilprojekten, in denen Liner aus zwei unterschiedlichen Stahlqualitäten entwickelt und untersucht wurden. Ziel des ersten Teilprojektes war die Realisierung eines Behälters, der in Form und Inhalt einer 6 Liter Atemgasflasche entsprechen sollte. Für die Herstellung des Liners wurde von der ThyssenKrupp Nirosta GmbH (TKN) der Stahl 1.4318 empfohlen und Blechmaterial mit 0,76 mm Wanddicke zur Verfügung gestellt. Aus diesem Material wurden durch Laserschweißen zylindrische Rohrabschnitte und entsprechende Halbkugelböden durch Tiefziehen hergestellt. Das Verschweißen der dünnwandigen Einzelteile zu Behältern erfolgte bei der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Duisburg (SLV) durch oszillierendes Laserschweißen.Die so gefertigten Rohbehälter wurden anschließend zur Erzielung einer höheren Materialfestigkeit hydraulisch in einem Matrizenrohr um 10 bzw. 20% kontrolliert aufgeweitet und dabei entsprechend kaltverfestigt. Bei diesem für das vorgesehene Linerkonzept  entscheidenden Fertigungsschritt versagte allerdings ein großer Teil der Versuchsbehälter auf Grund zahlreicher Fehler in der lasergeschweissten Längsnaht, so dass dieses Teilprojekt in der ursprünglich vorgesehenen Form nicht weitergeführt werden konnte, sondern mit der Untersuchung der  mechanischen Eigenschaften und der chemischen Beständigkeit des kaltverfestigten Linerwerkstoffes abgeschlossen werden musste. Für das zweite Teilprojekt wurden von der Firma UCON konventionell hergestellte Behälter aus dem metastabilen, austenitischen CrNi-Stahl 1.4301 verwendet. Diese dreiteilig geschweißten Behälter werden üblicherweise in großer Zahl in der Getränkeindustrie bei niedrigen Betriebsdrücken eingesetzt. Im vorliegenden Projekt dienten die Behälter als Liner für die Herstellung von Compositebehältern. Dazu war es erforderlich, die Behälter zur Erzielung einer hohen Werkstofffestigkeit zunächst einem kontrollierten Kryoverformungsprozess zu unterziehen. Dabei wurden die Behälter mit Hilfe von flüssigem Stickstoff bei 77 K durch Innendruck in ein Matrizenrohr gestreckt. Die damit verbundene plastische Verformung um 15% führte zu einer Zunahme der Streckgrenze des Behälterwerkstoffes um einen Faktor 4. Aus den so qualifizierten, hochfesten Edelstahllinern wurden durch entsprechenden Kohlefaser-Laminataufbau Compositebehälter gefertigt und in Anlehnung an die für Erdgasfahrzeugtanks geltenden Regelwerke auf ihre Eignung und Zulassungsfähigkeit hin geprüft. Wie die im Folgenden zusammengestellten Untersuchungsergebnisse zeigen, wurden von den für einen Betriebsdruck von 200 bar ausgelegten Behältern die wichtigsten Anforderungen im Hinblick auf ihre Berst- und Lastwechselsicherheit erfüllt. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde damit der Nachweis erbracht, dass mit dem verfolgten Fertigungskonzept Compositebehälter hergestellt werden können, welche den bisher auf dem Markt befindlichen Behälter mit Linern aus Aluminiumlegierungen oder solchen mit Kunststofflinern in ihrem Speicherwirkungsgrad nicht nachstehen oder sie sogar deutlich übertreffen.1 Einleitung Veröffentlichung: 2008 Autoren: Dr.-Ing. M. Kesten

P 636 - COMBRI - Competitive Steel and Composite Bridges by Improved Steel Plated Structures Veröffentlichung: 2006

P 638 - Walz- und Spaltprofilieren - Abschätzung des Produkt- und Marktpotentials der neuen Zielprodukt Im Rahmen derzeitiger Bestrebungen, die Entwicklung und Anwendung von Leichtbaustrategien voran zu treiben, besteht das Hauptziel darin, mit sinkendem Materialvolumen zunehmend höhere Bauteilfestigkeiten zu erreichen bzw. mit gewichtsreduzierenden Materialien künftig auch kritische Bauteilbereiche abdecken zu können. Hierzu werden neben der Entwicklung höher- und höchstfester Werkstoffe im Rahmen des Werkstoffleichtbaus auch Anstrengungen im Formleichtbau zur Reduktion der Blechdicke bei gleichbleibenden Bauteileigenschaften unternommen. Ein Problem der Gewichtsreduktion besteht allerdings im Bauteilversagen durch Beulen oder Knicken auf Grund von Instabilitäten. Ein wirkungsvolles Gestaltungselement, um diese Instabilitätsgrenze hin zu höheren Lasten zu verschieben, ist die Einbringung von Verzweigungen. Mit Hilfe des Verfahrens Spaltprofilieren wurde ein Umformverfahren entwickelt, durch das Verzweigungen an der Bandkante von Blechen realisiert werden können, was bislang nur durch Materialdopplungen innerhalb von Gesenkbiege- bzw. Walzprofilierprozessen möglich war. Neben dem Effekt erhöhter Profilsteifigkeit ist es möglich, Verzweigungen für neue, belastungsangepasste Anbindungsstrategien zu nutzen. Darüber hinaus eröffnet sich durch die nachgelagerte  Weiterverarbeitung von verzweigten Profilen ein weites Feld neuer funktionaler Profilanwendungen. Im Rahmen der Tätigkeiten des Arbeitskreises „Walz- und Spaltprofilieren“ wurde die Verfahrensentwicklung des Spaltprofilierens durch die Realisierung eines neuartigen Werkzeugkonzeptes vorangetrieben. Durch eine gezielte Anordnung von Spalt- und Hilfswalzen, wird im Werkstück ein hydrostatischer Druckspannungszustand induziert, welcher das Formänderungsvermögen des Werkstoffes erhöht und zur Ausbildung der Verzweigungen, sog. Flansche, an der  Blechbandkante führt. Die im Rahmen der Entwicklung erarbeiteten Ergebnisse wurden am Beispiel zweier mikrolegierter Feinkornstähle vorgestellt. Hierbei gelang es, Verzweigungen mit einer Spannweite von ca. 30 mm zu erzeugen. Die Spaltprofile verfügen über eine makroskopisch rissfreie Oberfläche sowie über einen signifikanten Verfestigungsgradienten, ausgehend von der den Spaltwalzen zugewandten Oberfläche. Hierauf aufbauend besteht die Möglichkeit zur umformtechnischen Weiterverarbeitung der Spaltprofile. Mittels Gesenkbiege- und Walzprofilierprozessen lassen sich funktionale Mehrkammerprofile erstellen, die neben einer erhöhten Steifigkeit, Knick- und Beulstabilität auch über die Möglichkeit der funktionalen Integration verfügen. Im Rahmen der Tätigkeiten des Arbeitskreises wurde insbesondere die walzprofiliertechnische Einformung von Spaltprofilen hin zu einem Einkammerprofil untersucht. Konventionelle Instrumente zur Auslegung von Profilierprozessen lassen sich aufgrund der nicht abbildbaren Verzweigungen nicht nutzen. Anstatt dessen wurde der Prozess mittels FESystemen modelliert und analysiert. Weiterhin wurden Gesichtspunkte der Werkzeugauslegung und –gestaltung untersucht, die sich beim Profilieren verzweigter Halbzeuge durch das Auftreten von Hinterschneidungen ergeben. Das im Rahmen des Arbeitskreises realisierte Einkammerprofil demonstriert die Möglichkeiten, die sich durch eine Prozesskette, bestehend aus Spalt- und Walzprofilieren, eröffnen: Die Verfahrensgrenzen des Spaltprofilierens ermöglichen eine Variation der Geometrie des Halbzeugs Spaltprofil für die nachgelagerte Umformung in einem weiten Bereich, sodass die Herstellung dünnwandiger, integral verzweigter Mehrkammerprofile variabler Geometrie mit freien Flanschen möglich wird. Prospektive Möglichkeiten liegen daher insbesondere in der Realisierung neuartiger, multifunktionaler Produkte mit Vorteilen, die sowohl deren Eigenschaften, als auch die Fertigungsmöglichkeiten und –kosten betreffen. Die Tätigkeiten des AK Walz-/und Spaltprofilieren werden im Rahmen des Transferprojektes „Beherrschen von Toleranzfeldern beim Spalt- und Walzprofilieren“ im Rahmen des SFB 666 fortgesetzt. Wesentliche Ziele dieses Projekts sind die Analyse von Genauigkeit und Toleranzen zur Ableitung industriell realisierbarer Produktklassen und darauf aufbauend entsprechende Strategien zur prozesssicheren Gestaltung einer kontinuierlichen Prozesskette zum Spalt- und Walzprofilieren. Autoren: P. Groche, D. Vucic, P. Beiter, R. Salomon Veröffentlichung: 2011