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Keywords
- Aluminium (2)
- Barriereschichten (2)
- Punktschweißen (2)
- Widerstandspunktschweißen (2)
- Wolfram (2)
- Aluminium-Zirkonoxid (1)
- Elektrodenkappen (1)
- Elektrodenwerkstoffe (1)
- Faserverbund-Metall-Verbindungen (1)
- Faserverbundwerkstoffe (1)
- Lichtbogenspritzen (1)
- Molybdän (1)
- Standzeiterhöhung (1)
- Verbindungstechnologie (1)
- Verschleißbeständige Beschichtungen (1)
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BTU
Der konsequente Leichtbau bedingt die Anwendung von Werkstoffen differierender Eigenschaften, es ergeben sich Multimaterialkonzepte. Die Umsetzung dieser Konzepte erfordert allerdings tragfähige Verbindungen. Gute Voraussetzungen hierfür bietet die mechanische Fügetechnik, da z.B. differierende thermische Eigenschaften der Grundwerkstoffe gut kompensiert werden können. Allerdings setzt ihre Anwendung eine Verformbarkeit der zu verbindenden Teile in der Fügestelle voraus. Die Verformbarkeit ist bei den Faserverbundwerkstoffen nur begrenzt gegeben. Aus diesem Grund wurden Möglichkeiten der thermischen und thermo-mechanischen Vorbehandlung der Fügestelle mit dem Ziel untersucht, hoch belastbare punktuelle Verbindungen herzustellen. Neben konventionellen Energiequellen, wie erwärmte Gase, der Induktion und der Widerstandserwärmung, wurden bei den durchgeführten Untersuchungen Laser berücksichtigt. Auch Varianten der mechanischen und thermische Verfahren wie das thermisch unterstützte Vorlochen wurden hinsichtlich der Erzielung hoher Verbindungsfestigkeiten untersucht. Durch die thermo-mechanische Vorbehandlung der Fügestelle konnte eine Verdopplung der für die Zerstörung der Verbindung notwendigen Scherzugkräfte gegenüber den konventionellen stanzgenieteten Verbindungen erzielt werden. Die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Verbindungen wurden mit dem Ziel der Beurteilung der benutzten Verbindungstechnologie bestimmt. Metallografische Untersuchungen helfen, das Ergebnis der mechanischen Prüfungen besser zu verstehen. Schlussendlich wurden Korrosionsuntersuchungen durchgeführt. Zur Anwendung kamen dabei auch beschichtete Verbindungselemente. Neben der visuellen Prüfung der Korrosionsbeständigkeit wurden in der Beurteilung auch Veränderungen der mechanischen Verbindungseigenschaften berücksichtigt. Das Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen ist eine Technologie, mit welcher reproduzierbar Verbindungen hergestellt werden können.
Die Herstellung punktueller Verbindungen an Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium (Al) mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen führt zu sehr intensiven Reaktionen zwischen dem Elektroden- und dem Substratwerkstoff. Diffusionsprozesse beeinflussen die Oberflächen der Elektroden, was wiederum eine Änderung der Schweißpunkteigenschaften bedeutet, so dass bereits nach der Herstellung weniger Verbindungen Nacharbeiten an der Elektrode notwendig werden. Eine Möglichkeit diese Reaktionen zu reduzieren, wird in der Berücksichtigung von Elektrodenwerkstoffen erwartet, deren Affinität zu Al gering ist. Neben diesem Kriterium müssen jedoch auch die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Werkstoffe bei der Auswahl berücksichtigt werden. Hinzu kommt, dass eine sichere und effektiv herzustellende Verbindung zum Elektrodenwerkstoff Kupfer erforderlich ist. Als Ergebnis der Überprüfung und Wichtung der elektrischen und thermischen Eigenschaften technisch interessanter Werkstoffe unter Beachtung wirtschaftlicher Aspekte wurden in den durchgeführten Untersuchungen die Werkstoffe Grafit, Wolfram und Molybdän berücksichtigt. Zusätzlich erfolgte die Überprüfung PVD-beschichteter Cu-Elektroden. Mittels Langzeituntersuchungen sind Angaben zur Eignung der Werkstoffe realisiert. Eine sehr große Herausforderung betraf die Herstellung von Verbindungen zwischen den nicht bzw. kaum mit Al reagierenden Werkstoffen und dem Cu der Punktschweißelektroden. Das Kondensatorentladungsschweißen konnte hierfür qualifiziert werden. Es wurden die Parameter ermittelt, mit denen sichere Verbindungen innerhalb extrem kurzer Zeit hergestellt werden können. Im Gegensatz zum Löten oder Umgießen handelt es sich um einen sehr effektiven Prozess mit hohem Potenzial für die Massenfertigung. Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen sind eine gute Voraussetzung dafür, eine Vervielfachung der Anzahl gleichartiger Punkte setzen zu können und somit die Leichtbaubestrebungen zu unterstützen.
Die Herstellung punktueller Verbindungen an Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Magnesium mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen führt zu sehr intensiven Reaktionen zwischen dem Elektroden- und dem Substratwerkstoff. Adhäsions- und Diffusionsprozesse bewirken Veränderungen an der Elektrodenoberfläche und beeinflussen die Eigenschaften der Verbindung, sodass bereits nach wenigen Punkten Nacharbeiten an der Elektrode notwendig werden. Die Intensität der Reaktionen ist abhängig von der Polarität der Elektrode, dem Elektrodenwerkstoff, dem zu fügenden Aluminiumwerkstoff, den Fügeparametern und ggf. vorgesehenen Barriereschichten. Untersucht wurden die Veränderungen infolge der Verbindungsherstellung an konventionellen Cu-Basis-Elektroden sowie die Wirkung von Barriereschichten. Die Nutzung von Barriereschichten erfordert eine Parameteranpassung, dies erfolgte in Vorversuchen. Langzeituntersuchungen bestätigen eine sehr deutliche Erhöhung der Anzahl von Schweißpunkten bei der Existenz von Barriereschichten. Zu begründen ist dies durch die Beeinflussung der Kontaktierung zwischen Elektrode und dem zu fügenden Bauteil.
Die Herstellung von punktuellen Verbindungen an Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und Magnesium mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen führt zu sehr intensiven Reaktionen zwischen dem Elektroden- und dem Substratwerkstoff. Adhäsions- und Diffusionsprozesse bewirken Veränderungen an der Elektrodenoberfläche und beeinflussen die Eigenschaften der Verbindung, sodass bereits nach wenigen Punkten Nacharbeiten an der Elektrode notwendig werden. Die Intensität der Reaktionen ist abhängig von der Polarität der Elektrode, dem Elektrodenwerkstoff, dem zu fügenden Aluminiumwerkstoff, den Fügeparametern und gegebenenfalls von vorgesehenen Barriereschichten. Untersucht wurden die Veränderungen infolge der Verbindungsherstellung an konventionellen Kupfer-Basis-Elektroden sowie die Wirkung von Barriereschichten. Die Nutzung von Barriereschichten erfordert eine Parameteranpassung, die in Vorversuchen durchgeführt wurde. Langzeituntersuchungen bestätigen eine sehr deutliche Erhöhung der Anzahl von Schweißpunkten bei der Existenz von Barriereschichten. Zu begründen ist dies durch die Beeinflussung der Kontaktierung zwischen Elektrode und dem zu fügenden Bauteil.
Gear wheel
(2020)
Stegzahnrad
(2019)
Die technischen Möglichkeiten der Herstellung von Metall-Hartstoff-Verbundschichten mit den Verfahren des thermischen Spritzens sind hinsichtlich der Hartstoffkorngröße begrenzt. Diese Einschränkung bedeutet eine geringe Verschleißbeständigkeit der konventionell hergestellten Schichten bei grob-abrasiver Beanspruchung. Untersuchungen mit dem Ziel gröbere Hartstoffe in Spritzschichten zu positionieren, waren bisher wenig erfolgreich. Es kommt zu einer Zerstörung der separat zugeführten Hartstoffe und einer meist sehr deutlichen Reduzierung der Auftragsrate. Eine Analyse der vorhandenen Überlegungen und Untersuchungsergebnisse führte zu der Erkenntnis, dass eine die Hartstoffe und die Matrix anziehende Energiewirkung notwendig ist, um den Verbund zu erzielen. Um eine anziehende Komponente zu erzielen, wurde bei den durchgeführten Untersuchungen eine elektrostatische Aufladung der Hartstoffe benutzt. In den hergestellten Beschichtungen konnten dadurch circa 20 Vol.-% separat zugeführte Hartstoffe unaufgeschmolzen registriert werden. Eine Beeinträchtigung der Auftragsrate war nicht zu registrieren. Werden die Parameter Druck, Temperatur und das chemische Potenzial optimiert, ist auch eine sichere stoffschlüssige Einbindung keramischer Hartstoffe in einer Eisenbasis-Matrix nachweisbar. Die Alternative der Integration der Hartstoffe wäre eine mechanische Verklammerung. Daraus resultierende Risse um den Hartstoff wurden nicht nachgewiesen. Der Hartstoff wirkt in den hergestellten Beschichtungen eindeutig als Keim und nicht als fremdes Element bei der Entstehung des Gefüges. Die Ergebnisse der Verschleißversuche an derart hergestellten Beschichtungen verdeutlichen eine nahezu Halbierung der Verschleißrate gegenüber der rein metallischen Beschichtung infolge der zugeführten Hartstoffe und ihrer metallischen Einbindung in die Schicht.
Die Herstellung von punktuellen Verbindungen an Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium (Al) mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen führt zu sehr intensiven Reaktionen zwischen dem Elektroden- und dem Substratwerkstoff. Durch die Auswahl eines Elektrodenwerkstoffs mit geringerer Affinität zu Aluminium ist zu erwarten, dass Diffusionsprozesse mit deren Beeinflussung der Elektrodenoberflächen und daraus folgender Änderung der Schweißpunkteigenschaften mit Nacharbeiten an der Elektrode vermeidbar sind. Zudem sind die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Werkstoffe sowie sichere und effektiv herzustellende Verbindungen zum Elektrodenwerkstoff Kupfer zu erfüllen. Unter diesen Prämissen und unter Beachtung wirtschaftlicher Aspekte wurden Untersuchungen an den Werkstoffen Grafit, Wolfram und Molybdän vorgenommen. Zusätzlich erfolgte die Überprüfung PVD-beschichteter Kupferelektroden. Mittels Langzeituntersuchungen sind Angaben zur Eignung der Werkstoffe realisiert. Eine sehr große Herausforderung betraf die Herstellung von Verbindungen zwischen den nicht beziehungsweise kaum mit Aluminium reagierenden Werkstoffen und dem Kupfer der Punktschweißelektroden. Das Kondensatorentladungsschweißen konnte hierfür qualifiziert werden. Es wurden die Parameter ermittelt, mit denen sichere Verbindungen innerhalb extrem kurzer Zeit hergestellt werden können. Im Gegensatz zum Löten oder Umgießen handelt es sich um einen sehr effektiven Prozess mit hohem Potenzial für die Massenfertigung.
Planetary gearboxes in highly sophisticated applications such as turbofan engines are required to have a high power-to-weight ratio and excellent reliability. Hence, thin-rimmed gear units need to be designed as compact as possible which, however, is usually limited by the tooth root load capacity. In order to come up with the best design, a tooth root shape optimization process is developed for thin-rimmed planet gears.