P 774 -Ermittlung der Einsatzpotenziale und -grenzen des adiabatischen Trennens für Schneid- und Lochoperationen

P 773 - Vollstanznietkleben von Stahlwerkstoffen mit Zugfestigkeiten von 800 MPa bis 1600 MPa Das Vollstanznietkleben stellt eine Verfahrenskombination dar, die sich unter anderem in Hinsicht auf das Fügen von hochfesten Werkstoffen durch besonderes Potential von einer Vielzahl alternativer Fügetechniken abhebt. Mit dem Ziel, ein wirtschaftliches Verfahren zum Fügen von Feinblechhalbzeugen aus unterschiedlich beschichteten, hochfesten Stahlwerkstoffen mit Zugfestigkeiten von 800 MPa bis 1600 MPa für die praktische Anwendung zu qualifizieren, wurden im  Rahmen dieses Forschungsvorhabens Untersuchungen zu den elementaren Verfahren Vollstanznieten und Kleben sowie zur kombinierten Anwendung dieser Fügetechniken durchgeführt. Aus den erlangten Erkenntnissen wurden Ansätze zur  Verfahrensoptimierung abgeleitet, deren Auswirkungen auf die Verbindungsausbildung und das Tragverhalten der Verbindungen im Rahmen der Projektbearbeitung durch Versuche überprüft und zur Weiterentwicklung des Verfahrens genutzt wurden. Im vorliegenden Bericht wird durch eine Darstellung der verfahrensspezifischen Eigenschaften von elementaren klebtechnischen und mechanischen Fügeverfahren die Ausgangssituation beschrieben und das besondere Potential sowie der Entwicklungsbedarf der hybriden Vollstanznietklebtechnik zum Fügen von hoch- bis höchstfesten Stahlwerkstoffen hervorgehoben. Durch die Ermittlung der Einsatzgrenzen beim elementaren Vollstanznieten wird daraufhin eine  Erkenntnisgrundlage gebildet, die die Leistungsfähigkeit des betrachteten Verfahrens abbildet und gleichzeitig den Ansatzpunkt und die Referenz für Untersuchungs- und Optimierungsmaßnahmen darstellt. Um geeignete Ansätze zur Erweiterung des möglichen Anwendungsspektrums herauszuarbeiten, wurden unterschiedliche Wirkzusammenhänge untersucht. Betrachtet wurden in diesem Zusammenhang zum Beispiel die Einflüsse von modifizierten Nietgeometrien auf die Fügekräfte beim elementaren Vollstanznieten. Durch Untersuchungen zum Einfluss der Nietkopfendlage auf das Trag- und Versagensverhalten von Vollstanznietverbindungen hochfester Stahlbleche wurden wesentliche Erkenntnisse  gewonnen, die zu Optimierungen geführt haben, durch die das Tragverhalten der Verbindungen verbessert wurde. Zu den Inhalten zählen auch der Nachweis der Verbindungsschädigung durch wasserstoffbeladene Fügeteile sowie Stichuntersuchungen zum Vollstanznieten 3-lagiger Mischbauverbindungen mit hochfesten Stahlblechen. Hier wurde gezeigt, wie sich durch die Wahl der optimalen Fügerichtung deutliche Steigerungen der Verbindungsfestigkeit erzielen ließen. Bei der Betrachtung elementar geklebter unterschiedlich beschichteter Fügeteile aus 22MnB5 zeigten sich unterschiedliche Versagensmechanismen. Mittels Untersuchungen zur Verfahrensverträglichkeit beim Vollstanznietkleben wurde das Optimierungspotential beim Vollstanznietkleben höchstfester Stahlwerkstoffe aufgezeigt. Auf Basis der so gewonnenen Erkenntnisse schlossen sich weitere Arbeitsschritte zur Verfahrensoptimierung an. Dabei wurden durch Versuche mit geometrisch variierten Stanznietwerkzeugen, modifizierten Klebstoffen und einem abgewandelten Stanznietverfahren verschiedene Ansätze zur Optimierung der Vollstanznietklebtechnik verfolgt und Verbesserungen in der Verbindungsausbildung erzielt. Die Leistungsfähigkeit der optimierten Fügetechnik wird anschließend in Form von Untersuchungen zum Tragverhalten elementar- sowie hybridgefügter Verbindungen unter statischer und dynamischer Krafteinleitung, sowie zum Verhalten unterschiedlich beschichteter Probekörper unter korrosiver Beanspruchung dargestellt. Aus den erlangten Erkenntnissen werden abschließend Empfehlungen zur konstruktiven und fertigungstechnischen Handhabung des Verfahrens hergeleitet. Autoren: O. Hahn, C. Schübeler Veröffentlichung: 2010

P 772 - Untersuchung und Erweiterung bestehender Ansätze zur verbesserten Beschreibung von Reibung und Wärmeübergang in der FEM-Simulation von Warmmassivumform Prozessen Die Finite-Element-Methode (FEM) ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Auslegung und Optimierung von Warmmassivumformprozessen. Die genaue Kenntnis der Prozessrandbedingungen ist dabei Voraussetzung für eine hohe Genauigkeit der Simulationsergebnisse. Da die Reibung in der Kontaktfläche und der Wärmeübergang vom Werkstück ins Werkzeug einen wesentlichen Einfluss auf den gesamten Umformprozess haben, ist die Beschreibung dieser beiden  Randbedingungen in der FE-Simulation entscheidend für die Verwertbarkeit der Simulationsergebnisse in der Praxis. Dabei sind u. a. der Kontaktdruck, die Temperatur an der Randschicht, die Rauheiten der Kontaktoberflächen, die  Gleitgeschwindigkeit und das Fließverhalten des Werkstoffs die wesentlichen Einflussgrößen. In den meisten zur Verfügung stehenden FEProgrammen basiert die Abbildung des Reib- und Wärmeübergangsphänomens auf der Annahme konstanter Koeffizienten für die Modellgleichungen. Hierdurch werden lokale Einflussgrößen nicht mit der erforderlichen Genauigkeit erfasst und in der FE-Simulation berücksichtigt. Eine Verbesserung der Simulationsgenauigkeit ist für die Umformindustrie von grundlegender Bedeutung, wobei die als Industriestandard geltende starre Modellierung der Werkzeuge nicht außer Acht bleiben sollte. Das Forschungsziel des Projektes war die Entwicklung jeweils eines Gesetzes zur numerischen Abbildung der Reibung und des Wärmeübergangs für schmiedeähnliche Bedingungen, um die Genauigkeit der Prozesssimulation von  Warmmassivumformvorgängen mithilfe von kommerziellen FE-Programmen zu erhöhen. In einem weiterentwickelten Rohrkegelstauchversuch als Grundlagenversuch, in dem Relativverschiebung, Relativgeschwindigkeit, Temperatur, Schmierstoffe und Rauheit gezielt variiert werden können, wurden zunächst die Einflüsse verschiedener Prozessbedingungen auf die Reibung untersucht. Diese Einflüsse muss das Reibmodell zur verbesserten Beschreibung berücksichtigen. Die Einflüsse von Schmierung, Werkstück- und Werkzeugmaterial, Temperatur und Umformgeschwindigkeit wurden mit einer Effektanalyse untersucht. Hierbei ergaben sich als größte Einflussfaktoren auf die Reibung die Umformgeschwindigkeit und die Schmierung. Bei der Entwicklung des Reibmodells werden diese Einflüsse des Reibzustands in der Wirkfuge zwischen Werkzeug und Werkstück berücksichtigt. Zudem wurden im Forschungsvorhaben bestehende mehrstufige Warmumformprozesse herangezogen. Die Prozesse wurden mittels Thermografiekamera aufgenommen, die Bauteile optisch vermessen und z. T. die Umformkräfte  messtechnisch ermittelt. Umfangreiche numerische Berechnungen der Prozesse erfolgten mit den kommerziellen FE-Programmen Forge (Transvalor S.A.) und simufact.forming (Simufact Engineering GmbH) unter Nutzung unterschiedlicher Reibmodelle. Ein vorgestelltes neu entwickeltes Reibmodell ist in der Lage, die Reibung bei unterschiedlichen Bedingungen während der Umformung zu berücksichtigen. Darüber hinaus wird die wahre Kontaktfläche nach Neumaier beim Schmieden einbezogen. Zudem wurden über eine geeignete Funktion das Haften und das Gleiten über den Einfluss der Gleitgeschwindigkeit realitätsnah berücksichtigt. Somit werden die Haupteinflussgrößen, wie sie mit dem Grundlagenversuch ermittelt wurden, in der Formulierung berücksichtigt. Die Validierung erfolgte an Modellprozessen. FE-Berechnungen wurden von den Industrieprozessen mit verschiedenen Reibmodellen durchgeführt. Die Prozesssimulation, basierend auf dem neu entwickelten Reibmodell, liefert bessere Ergebnisse. Durch den Einsatz der verbesserten Modelle für Reibung und Wärmeübergang können Schmiedeprozesse genauer abgebildet und ausgelegt werden. Die damit verbesserte Stoffflussbeschreibung bei der Umformung ermöglicht eine genauere Berechnung der Bauteilgeometrie. Darüber hinaus ist eine präzisere Vorhersage der benötigten Umformkraft sowie der thermischen Schrumpfung des Bauteils nach der Umformung möglich. Die genaue Beschreibung der Reibung und des Wärmeübergangs ermöglicht zudem die verbesserte Vorhersage der mechanischen und thermischen Beanspruchung der Schmiedegesenke. Die Verbesserung der FE-Systeme durch Implementierung des neu entwickelten Reibmodells dieses Projekts kommt gerade den kleinen Unternehmen der Schmiedeindustrie zu gute und sorgt damit für die erweiterte Nutzung dieser etablierten Werkzeuge bei der Prozesssimulation. Autoren: B. A. Behrens, A. Bouguecha, J. Mielke, G. Hirt, M. Bambach, A. Demant Veröffentlichung: 2010

P 771 - Efficient slim-floor deck solutions for building construction - Holistic optimization for the erection and use Bisher wurden Verbundträger vorwiegend als isolierte Bauelemente behandelt. Dabei wurde der Praxis überlassen, wie diese in die Gesamtkonstruktion zu integrieren sind. Dazu zählen insbesondere die Ausbildung der  Verbundknoten und der Anschlüsse der Verbundträger an andere Bauelemente wie z.B. Stützen. Das Ziel dieses Vorhabens war die integrierte Betrachtung von wirtschaftlicher Bemessung der Verbundträger  einerseits und geeigneter Knotenausbildung andererseits. Schwerpunkte der durchgeführten Untersuchungen waren Fragen der Gebrauchstauglichkeit, insbesondere die notwendige Erfüllung von Verformungskriterien sowie Fragen einer montagegerechten Ausbildung der Verbundknoten. Ebenso spielt bei Verbundbaulösungen der Brandschutz eine entscheidende Rolle. In diesem Zusammenhang wurden Lösungen für die  brandschutztechnische Ausführung der Träger ebenso wie für die Anschlusskonstruktionen entwickelt. Für das Verformungsverhalten von Verbundflachdeckenträgersystemen wurde auf Basis einer umfangreichen analytischen Untersuchung ein nicht-linearer Berechnungsansatz abgeleitet und hierbei die sogenannte  verformungsbezogene mittragende Breite eingeführt. Dieser Berechnungsansatz wurde in einem zweiten Schritt in einen linearen Ansatz weiterentwickelt, der es nun erlaubt, das nicht-lineare Tragverhalten von Slim-Floor Trägern sehr einfach mittels linearer Verformungsansätze zu berechnen. Im Gegensatz zu den bestehenden Normen, die durch konservative Ansätze die Durchbiegung stark überschätzen, können jetzt aufgrund  realistischer Verformungen die Querschnitte wirtschaftlicher dimensioniert werden. Für die Anschlüsse und die Ausbildung der Knoten wurden an typischen Querschnitten Konstruktionslösungen aufgezeigt, die einen sehr wirtschaftlichen Einsatz dieser Stahlbauverbindungen zulassen. Neben gelenkigen Anschlüssen sind auch Beispiele für einen biegesteifen (durchlaufenden) Trägerstoß aufgezeigt, die im Hinblick auf die Tragreserven im Brandfall aktiviert werden können. Die dargestellten Systemlösungen zeigen, dass die konsequent effiziente Systemlösung vom Träger auf den Anschluss fortgesetzt werden kann. Ziel eines weiteren Arbeitspaketes war es, den Brandwiderstand von  typischen Slim-Floor Systemen zu untersuchen und gegebenenfalls durch konstruktive Maßnahmen zu verbessern. Die analytischen Lösungen zeigen hierbei, dass alle Träger ohne zusätzlichen Aufwand eine  Feuerwiderstandszeit von F30 besitzen. Einen deutlichen Gewinn an Brandwiderstand erzielt man durch die Ausbildung von durchlaufenden Systemen. Hierbei können Tragreserven aktiviert werden, die für die Bemessung im Brandfall einen entscheidenden Vorteil bieten. Durch die Ergebnisse sind nun Verbunddeckenlösungen möglich, die neben der Wirtschaftlichkeit noch zusätzliche Vorzüge bieten: Dazu gehören Bauzeitverkürzungen durch geeignete Vorfertigung, montagegerechte  Knotenanschlüsse, Komfort in der Nutzung aufgrund der Durchbiegungsbegrenzung und Sicherheit in Hinblick auf den Brandschutz. FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. Veröffentlichung: 2014 Autoren: Prof. Dr.-Ing. U. Kuhlmann, Dr.-Ing. G. Hauf, Prof. Dr.-Ing. P. Schaumann, ]}, Dr.-Ing. N. Sauerborn

P 777 - Thermisches Fügen von dünnwandigen Strukturbauteilen mit niedrig schmelzenden Zusatzwerkstoffen Leichtbaubestrebungen sowie der Erhalt von metallischen Beschichtungen als Basis der Korrosionsbeständigkeit in der Automobilindustrie erfordern neue Fügeverfahren. Ein Weg, diesen Bestrebungen zu entsprechen, ist die Nutzung niedrig schmelzender Zusatzwerkstoffe. Eine Reduzierung des Energieeintrages gegenüber Kupferlötungen wird durch die Anwendung von Zink-Basis-Loten erzielt. Es entstehen artgleiche Verbindungen mit den Vorteilen des geringen Verzuges sowie dem Erhalt der Beschichtung und somit der Korrosionsbeständigkeit. Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand darin, dass MIG-Löten mit Zinkbasisloten (ZnAl4, ZnAl15 und ZnAl4Cu1,5) für unlegierte Tiefziehstähle mit verschiedenen Beschichtungen sowie für hochlegierte Cr-Ni-Stähle zu qualifizieren. Der Lichtbogenprozess war dahingehend zu optimieren, auch dünne Bleche (d=0,5 mm) bei Erhalt der Beschichtung prozesssicher zu fügen. Hierzu wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zum Benetzungsverhalten an unterschiedlichen Beschichtungen (feuerverzinkt, elektrolytisch verzinkt), dem Festigkeitsverhalten und dem Korrosionsverhalten an Überlappverbindungen und Bördelnähten durchgeführt. Der Schwerpunkt lag bei der Analyse der Wechselwirkungen unterschiedlicher Lichtbogenarten auf dem Benetzungsverhalten der Lote und deren Auswirkungen auf die Festigkeit der Verbindung sowie auf der Beschreibung von Oberflächen nahen Reaktionen. Es konnten so an den unlegierten Tiefziehstählen (DX56D+Z100; HP260P) Verbindungen im Blechdickenbereich von d= 0,5 mm bis 1,5 mm hergestellt werden, welche die Grundwerkstoffeigenschaften erreichen. Des Weiteren konnten im Rahmen des Forschungsvorhabens an den hochlegierten Stählen (X5CrNi18-10; X2CrTiNb18; X6Cr17) Lötverbindungen mit einem guten Benetzungsverhalten hergestellt werden. Zusätzlich wurden Verbindungen an Stahl-Sandwichblechen sowie zwischen diesen und Tiefziehstählen gelötet. Es wurden hoch genaue Strom-Spannungs-Zeit-Messungen durchgeführt, so dass die Lötparameter reproduzierbar vorliegen. Die gewonnenen Daten sind eine Grundlage für die Ermittlung des spezifischen Energieeintrags. Für die untersuchten Lichtbogenarten erfolgten Temperatur-Zeit-Messungen. Alle Projektergebnisse sind in einem Datenbanksystem zusam-mengefasst. Dem Nutzer stehen die Ergebnisse in Form einer Verfahrensanweisung zur Verfügung. Die Übernahme und Anwendung der Ergebnisse wird somit erleichtert. Die erreichten Forschungsergebnisse verbessern das Verständnis zum MIG-Löten mit Zinkbasisloten und verdeutlichen das Anwendungspotential für Verbindungen an dünnen beschichteten sowie korrosionsbeständigen Bauteilen. Es liegt ein Beitrag zum Leichtbau mit allen damit in Verbindung stehenden Vorteilen vor. Die Korrosionsschutzwirkung der auf den Tiefziehstählen sowie auf dem Sandwichblech vorhandenen Beschichtung wird infolge des Fügeprozesses nicht beeinflusst. Sie bleibt erhalten und wird in der Fügezone verstärkt. Das Forschungsvorhaben wurde am Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung, Jena und der Hochschule Lausitz (FH), Senftenberg, mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Unterstützung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, aus den Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt Autoren: R. Winkelmann, T. Ebersbach, R. Salomon Veröffentlichung: 2010