P 787 - Aufgeschweißte Gewindebolzen der Festigkeitsklasse 800 MPa

P 785 - Einsatz der Schweißsimulation zur systematischen Entwicklung verbesserter Modelle für die Berechnung der Tragfähigkeit komplexer Stahlleichtbaustrukturen Leichtbau wird auch im Bauwesen zunehmend wichtiger. Ziel ist es, die Tragfunktionen ohne Gewichtszunahme zu verbessern. Eine verbesserte Tragfähigkeit kann vorrangig durch geschicktes Konstruieren von komplexen Stahlleichtbaustrukturen erreicht werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens war eine verbesserte Berechnung der Tragfähigkeit komplexer Stahlleichtbaustrukturen am Beispiel von Fachwerk- und Wellstegträgern. Hierfür wurden im Projekt umfangreiche geometrische und physikalisch nichtlineare FE-Tragfähigkeitsanalysen durchgeführt. Dabei stellten die Ableitung von Ingenieurmodellen und die Ausarbeitung von Vorschlägen zur praktischen Bemessung einen wesentlichen Kernpunkt der Untersuchungen dar. Weiterhin konnten Trag- und Verformungsanalysen sowie Optimierungsprozesse am virtuellen Bauteil durchgeführt werden, was Kosten für Bauteilversuche spart und zu deutlich verkürzten Entwicklungszeiten führt. Die Basis für einen verbesserten Tragfähigkeitsnachweis wird durch den Einsatz der Schweißsimulation und die hierdurch mögliche Berücksichtigung lokaler Bauteileigenschaften gebildet. Am Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig wurden hierzu Schweißsimulationen der Nähte an den ausgewählten Bauteilen durchgeführt. Die Ergebnisse, wie Größe der Wärmeeinflusszone oder entstehende Eigenspannungen, wurden dem Lehrstuhl für Stahl- und Holzbau an der BTU Cottbus zur Integration in die numerische Traglastberechnung von Großbauteilstrukturen übergeben. Anhand der Ergebnisse konnten vereinfachte analytische Formelapparate, welche eine genauere Berechnung ermöglichen, abgeleitet werden. Das IGF-Vorhaben 287 ZBG der FOSTA –Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde am Institut für Füge- und Schweißtechnik der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, und am Lehrstuhl für Stahl- und Holzbau der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus, durchgeführt. Autoren: K. Dilger, M. Vogt, M. Umer, H. Pastemak, V. Bachmann, G. Kubieniec Veröffentlichung: 2013

P 789 - Entwicklung von Grundlagen zur Auswahl und prozesssicheren Auslegung von Biegeverfahren für die Herstellung von Profilen aus innovativen Stahlwerkstoffen Neue, innovative Werkstoffe sind ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung neuer Produkte, die zur Verbesserung der Lebensqualität des Menschen und zur Schonung von Energie und Ressourcen beitragen können. Dies gilt in besonderem Maße für die neuen Generationen hoch- und ultrahochfester Stahlwerkstoffe, deren Eigenschaften exakt auf die jeweils erforderlichen Anforderungen eingestellt werden können und damit eine große Bandbreite von Nutzungsmöglichkeiten eröffnen. Jedoch wird aktuell das Einsatzpotenzial dieser Werkstoffe industriell bei Weitem nicht vollständig ausgenutzt. Dies ist teilweise durch die geringere Duktilität gegenüber weicheren Stahlsorten begründet. Durch die eingeschränktere Umformbarkeit dieser Werkstoffe kommt es beim Biegeumformen oftmals zu einem vorzeitigen Werkstoffversagen durch Rissbildung. Vor allem bei dem häufig eingesetzten Gesenkbiegen können dadurch nicht so kleine Radien hergestellt werden, wie es für die Steifigkeit der Bauteile notwendig ist. Eine mögliche Alternative zum Gesenkbiegeverfahren ist das Walzprofilieren, das bei höheren Losgrößen speziell für die Profilherstellung eingesetzt wird. Gesenkbiegen und Walzprofilieren haben eine hohe industrielle Relevanz. Allerdings wurden sie insbesondere im Zusammenhang mit hochfesten und ultrahochfesten Stahlwerkstoffen bislang nicht oder nur ansatzweise wissenschaftlich erforscht. So sind die Kenntnisse über die Verfahrensgrenzen beim Biegeumformen von Blechwerkstoffen noch sehr unzureichend, vor allem vor dem Hintergrund, dass die Erfahrungen mit herkömmlichen Blechwerkstoffen nicht auf die neuen hochfesten Werkstoffe übertragbar sind. Daher wurden im Rahmen dieses Projekts Grundlagen für die prozesssichere Auslegung der Fertigungsprozesse Freibiegen und Walzprofilieren für die Herstellung von Profilen aus hochfesten Stahlwerkstoffen erarbeitet. Dazu wurden beide Verfahren systematisch, experimentell und numerisch untersucht. Ziel der Untersuchungen war die Bestimmung der signifikanten Unterschiede zwischen den beidenVerfahren und insbesondere der verfahrensspezifischen Prozessgrenzen. Zu Beginn der Untersuchungen wurde zunächst eine detaillierte Werkstoffcharakterisierung durchgeführt, um Fließortkurven und Formänderungsdiagramme für die im Rahmen dieses Projektes untersuchten hochfesten Stahlwerkstoffe zu bestimmen. Zur Abbildung unterschiedlicher Lastrichtungen kamen unterschiedliche Prüfverfahren zum Einsatz. Die bei der Werkstoffcharakterisierung erhaltenen Daten bildeten die Grundlage für die Beurteilung des Werkstoffverhaltens und für die Auswahl geeigneter Materialmodelle für die numerischen Berechnungen. Für beide Verfahren wurde ein detailliertes 3D-FE-Modell erstellt, das den Prozess möglichst realitätsnah abbildet bei dennoch moderaten Laufzeiten. Auf-grund der Komplexität des Verfahrens stellte dies beim Walzprofilieren besondere Anforderungen an die Modellbildung. Ferner wurden verschiedene Materialmodelle zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens der hochfesten Stähle implementiert, experimentell validiert und auf ihre Eignung für die verschiedenen Biegeverfahren bewertet. Vorbereitend für die experimentellen Untersuchungen wurden für beide Verfahren entsprechende Versuchsstände aufgebaut. Neben der Konzipierung und Realisierung spezieller Versuchswerkzeuge war ein Schwerpunkt der Arbeiten die Implementierung entsprechender Messtechnik. Für die genaue Festlegung der Formänderungsgrenzen und der verfahrensspezifischen Unterschiede der Verfahren war es wichtig, möglichst viele Größen online zu messen. Ein spezielles Problem stellte die Messung der Dehnungen in der Umformzone (zu Beginn des Versagens) dar, weil sie sehr klein sind. Deshalb wurden verschiedene Messansätze und -systeme getestet und bewertet, um eine geeignete Messmethode für diese Anwendung zu finden, mit der aussagekräftige Messdaten mit hinreichender Genauigkeit aufgenommen werden konnten. Beim Freibiegen war es möglich, die Dehnungen online zu messen. Beim Walzprofilieren war aus Platzgründen nur eine Offlinemessung möglich. Mithilfe der entwickelten experimentellen und numerischen Methoden wurden die Biegeprozesse Walz-profilieren und Freibiegen systematisch und detailliert untersucht. Im Rahmen einer Parametervariation wurden der Einfluss einzelner Parameter auf das Umformergebnis und die Formänderungsgrenzen sowie das Eintreten von Versagen grundlegend analysiert. Dadurch konnten charakteristische Versagensursachen bei beiden Verfahren für verschiedene hochfeste Stahlgüten unterschiedlicher Hersteller ermittelt werden. Durch die Gegenüberstellung der verfahrensspezifischen Umformeffekte konnten erste Anhaltspunkte für eine positive Beeinflussung der Verfahrensgrenzen abgeleitet werden. Im Zuge erweiterter Untersuchungen konnte beispielhaft gezeigt werden, wie die Formänderungsgrenzen beim Freibiegen durch zwei verschiedene Strategien signifikant erweitert werden konnten. Zum einen wurde die Prozessführungsstrategie in Analogie zum Walzprofilierprozess geändert und das Werkstück durch ein zyklisches Be- und Entlasten umgeformt. Zum anderen wurde die Reibung an den Werkzeugelementen reduziert, wodurch die Rissbildung ebenfalls verzögert werden konnte. Ferner wurden die Umformkräfte beim Walzprofilieren gemessen, um die Beanspruchung beim Einsatz hochfester Stähle genauer zu untersuchen sowie den Einfluss der Blechbreite und der einzelnen Profilierstufe zu analysieren. Zur Validierung der gewonnenen Erkenntnisse im industrienahen Umfeld wurde ein Musterbauteil auf Produktionsmaschinen hergestellt. Dabei konnten die Versagensursachen und die analytischen Erkenntnisse bezüglich des unterschiedlichen Verhaltens der untersuchten hochfesten Stahlwerkstoffe validiert werden. Hierbei konnte die Übertragbarkeit und An-wendbarkeit der Erkenntnisse über die speziellen Biegeeigenschaften moderner, hochfester Stahlwerk-stoffe insbesondere hinsichtlich der Versagensursachen dargelegt werden. Dies unterstreicht den Praxisbezug des Projektes und zeigt, dass die gewonne-nen Erkenntnisse direkt im industriellen Umfeld einsetzbar sind. Die Inhalte dieses Berichtes im Speziellen sind vor allem für die Vorabschätzung und Simu-lation von Machbarkeiten und die Auslegung der Prozessführung und Gestaltung der Werkzeuge bei den verschiedenen Verfahren und den verschiedenen untersuchten hochfesten Werkstoffen empfehlenswert. Das Forschungsprojekt wurde am Institut für Umformtechnik und Leichtbau der Technischen Universität Dortmund und der Tata Steel IJmuiden B.V., Niederlande, mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Förderung durch die For-schungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düssel-dorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt. Autoren: A. E. Tekkaya, A. Weinrich, M. M. Gharbi, P. Kömmelt Veröffentlichung: 2011

P 784 - Optimierung von Verzug und Eigenspannungen beim Schweißen dickwandiger Bauteile Die Schweißsimulation dickwandiger Bauteile stellt aufgrund der erhöhten Komplexität der thermophysikalischen und thermomechanischen Vorgänge beim Mehrlagenschweißen hohe Anforderungen an kommerziell verfügbare Schweißsimulationssoftware. Das umfasst die während des Fügeprozesses induzierten Verzüge und Eigenspannungen in das gefertigte Bauteil, welche zur Beurteilung der Fertigungsqualität von großer Bedeutung sind. Gerade in dickwandigen Bauteilen ist der Spannungszustand sowohl bedingt durch die konstruktive Steifigkeit der einzelnen Bauteile sowie der gesamten Baugruppe als auch aufgrund zusätzlicher externer Einspannvorrichtungen bei der Fertigung überaus komplex. Hinzu kommen bei Werkstoffen mit Phasenumwandlung noch die metallurgisch verursachten Spannungszustände und bei mehrlagig ausgeführten Schweißverbindungen die wiederholte thermische und umwandlungsbedingte Spannungsausbildung, so dass eine überschlägige Abschätzung des gesamten Verformungs- und Spannungszustandes auch für Experten in der Regel nicht mehr möglich ist. Die vorherrschenden Verformungen und Spannungen bestimmen jedoch maßgeblich die Eigenbeanspruchung der Schweißkonstruktion und damit deren Belastbarkeit im Betrieb. Eine genaue Kenntnis dieser Daten würde wertvolle Informationen zur Qualitätsoptimierung des Endproduktes liefern. Ziel des Vorhabens war die Untersuchung, Bewertung und Vorhersage schweißbedingter Verzüge und Eigenspannungen bei Mehrlagenschweißungen am unlegierten Baustahl S355J2+N. Dabei stellten die Aspekte Phasenumwandlung und Anlassverhalten einen Kernpunkt der numerischen Untersuchungen dar. Die Ergebnisse der durchgeführten Analysen sollten für die Optimierung von Verzug und Eigenspannungen beim Schweißen dickwandiger Bauteile genutzt werden. Weiterhin stand die Praktikabilität bzw. Anwendbarkeit der verwendeten Finite-Element-Software in Hinblick auf realitätsnahe Abbildung der ablaufenden Prozesse, Rechenzeit und Nutzeranforderungen jederzeit im Fokus des Vorhabens. Die steigende Komplexität der Untersuchungen, von der einlagigen Schweißprobe bis zum vierlagig geschweißten Versuchsblech mit hoher Bauteilanalogie, gewährleistete die Analyse von geometrischen Einflüssen (Blechlänge, Heftstellen, An- und Auslaufblechen) und Phasenumwandlungen auf die numerische Berechnung von schweißbedingten Eigenspannungen und Verzügen. Potentiale zur Optimierung der Berechnung von Eigenspannungen und Verzügen im Zusammenhang mit dem Umwandlungsverhalten wurden aufgezeigt. Zusätzlich werden mit Hilfe eines Mehrlagenmodells die Möglichkeiten der Schweißsimulation zur Vorhersage von Eigenspannungen und Verzug sowie zur Sensitivitätsanalyse von relevanten Prozessgrößen, z.B. Vorwärm- oder Zwischenlagentemperatur, dargestellt. Das IGF-Vorhaben 15746 N der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wurde an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) , Berlin, über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Autoren: M. Rethmeier, C. Schwenk, C. Heinze, R. Salomon Veröffentlichung: 2011

P 783 - Entwicklung eines Kleinladungsträgers unter Verwendung von hybriden Materialstrukturen Schärfer werdende Regularien zur Arbeitsergonomie, steigende Transportkosten sowie die generellen Bemühungen Logistikkosten zu reduzieren führen insgesamt dazu, dass im Ladungsträgerbau leichte Materialien eingesetzt werden müssen. Zielsetzung des Projektes war es daher, herkömmli-che Ladungsträger, die hohe Anforderungen an Leichtbau und Stabilität aufweisen, mit Hilfe der neuen Wabenplatten aus Stahlblechen zu kombinieren, welches die beiden i.d.R. divergenten Anforderungen (Gewichtsreduktion und Stabilität) erfüllt. In einem weiteren Schritt wurde aber auch der Einsatz von Wabenplatten im allgemeinen Anwendungsbereich der Logistik untersucht, um auch dort etwaige Optimierungsansätze durch Leichtbaumaterialien zu eruieren. Folgende Kriterien konnten im Projekt identifiziert werden, die für die Verwendung von Wabenplatten im Ladungsträgerbau erforderlich sind. So besteht das Zielsystem aus maximaler Flexibilität bei Handling, Bearbeitung und Größe bei gleichzeitig minimalen Kosten. Insbesondere die limitierte Plattengröße stellt augenblicklich das größte Hemmnis dar, Optimierungsansätze in der Logistik durch den Einsatz von Wabenplatten weiterzuführen. Durch die im Projekt durchgeführte Konstruktion eines modellhaften Prototyps konnte eindeutig gezeigt werden, dass Wabenplatten insbesondere durch Hybridlösungen die Schwachstellen von derzeitigen Materialien bei Leichtbau-Ladungsträger physisch kompensieren und somit eindeutig zu einer Optimierung führen kann. Auch durch den Einsatz von Wabenplatten bei bereits bestehenden Standard-Ladungsträgern - ohne physische Schwächen - könnte es zu Optimierungen bei diesen kommen, indem stabile aber schwere Lösungen insofern optimiert werden können, als dass sie bei gleicher Stabilität um ein Wesentliches „erleichtert“ werden könnten (Beispiel Gitterbox, Stahl GLT des Instituts für Fördertechnik und Logistik, etc.). Darüber hinaus kann der Einsatz von Wabenplatten als Apitong-Holzboden-Ersatz im Containerbau erhebliche Potentiale bieten, sofern Wabenplatten den Stabilitätsanforderungen der ISO-Container standhalten. Weitere Einsatzfelder könnten die beiden Logistikbereiche Luftfrachtbehälter und Wechselbrücken bereithalten. Bei all den dargestellten Optimierungspotentialen ist im Einzelfall jeweils anhand einer Wirtschaftlichkeitsrechnung zu ermitteln, inwiefern ein etwaiger Einsatz von Wabenplatten anstelle der bisherigen Lösung zu einer Kostenverbesserung für den Anwender führt. Höhere Materialkosten des Werkstoffes der Wabenplatten könnten in vielen Fällen durch Einsparungen beispielsweise durch eine Gewichtsreduktion (im Luft- und Landverkehr, wo die Transportpreise in der Regel an dem Gewicht der Sendung orientiert sind) oder zum Beispiel durch eine Erhöhung der Stabilität (Senkung der Wartungskosten, Senkung der Reparaturkosten, Erhöhung der Prozesssicherheit – weniger kostspielige Sicher-heitsinfrastruktur notwendig) aufgefangen werden bzw. sogar einen positiven ROI gegenüber bisherigen Lösungen erbringen. Somit lässt sich abschließend festhalten, dass die praktische Einsatzfähigkeit – insbesondere die eingeschränkten Dimensionen der Plattengröße - von Wabenplatten weiter vorangetrieben werden muss, um Optimierungspotentiale in der Logistik – letztendlich auch durch Wirtschaftlichkeitsrechnungen nachge-wiesen - erschließen zu können. Das Forschungsvorhaben wurde am Institut für Fördertechnik und Logistik der Universität Stuttgart mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Förderung durch die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, durchgeführt. Autoren: D. Neuhäuser, R. Salomon Veröffentlichung: 2011