Werkstoffgerechtes Konstruieren und Gestalten mit metallischen Werkstoffen

Construction and design with metallic materials with consideration of materials properties

  • Moderne Konstruktionen im Maschinen- und Fahrzeugbau werden oft aus Umwelt- und Kostengründen als Leichtbaukonstruktionen ausgeführt. Dabei spielen metallische Werkstoffe auf Grund ihres hohen Recyclingpotential und ihrer hervorragenden Verarbeitbarkeit trotz ihrer zum Teil recht hohen Dichte nach wie vor eine bedeutende Rolle. Neue Fertigungs- und Fügeverfahren ermögliche neuartige konstruktive Lösungen. Dabei kann zum Teil auf neue, metallische Halbzeuge zurückgegriffen werden. Die aktuelle Entwicklung der zur Fertigung von Blechen verwendeten Stähle, Aluminium- und Magnesiumlegierungen sowie ihre spezifischen Fertigungseigenschaften werden einleitend beschrieben. Es schließt sich eine Klassifizierung von Halbzeugen und Beschreibung der Fertigung der Halbzeuge an, die auf den Leichtbau ausgerichtet ist. Dabei werden Probleme, Grenzen und typische Fehlermöglichkeiten bei der Herstellung der Halbzeuge beleuchtet. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Untersuchung neuer Halbzeuge. Beispielhaft sind hier die leichtenModerne Konstruktionen im Maschinen- und Fahrzeugbau werden oft aus Umwelt- und Kostengründen als Leichtbaukonstruktionen ausgeführt. Dabei spielen metallische Werkstoffe auf Grund ihres hohen Recyclingpotential und ihrer hervorragenden Verarbeitbarkeit trotz ihrer zum Teil recht hohen Dichte nach wie vor eine bedeutende Rolle. Neue Fertigungs- und Fügeverfahren ermögliche neuartige konstruktive Lösungen. Dabei kann zum Teil auf neue, metallische Halbzeuge zurückgegriffen werden. Die aktuelle Entwicklung der zur Fertigung von Blechen verwendeten Stähle, Aluminium- und Magnesiumlegierungen sowie ihre spezifischen Fertigungseigenschaften werden einleitend beschrieben. Es schließt sich eine Klassifizierung von Halbzeugen und Beschreibung der Fertigung der Halbzeuge an, die auf den Leichtbau ausgerichtet ist. Dabei werden Probleme, Grenzen und typische Fehlermöglichkeiten bei der Herstellung der Halbzeuge beleuchtet. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Untersuchung neuer Halbzeuge. Beispielhaft sind hier die leichten Stahlrohre als Leichtbauprofile, ihre Vorformung durch Gleitziehen und ihre Ausformung durch einen geringen Wirkmediendruck genannt. Es werden verschiedene Fertigungsmöglichkeiten diskutiert. Sie eignen sich für Tragwerke und Rahmenstrukturen und stellen eine Kombination aus Rohrprofil und Biegeträger dar. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung des Verfahrens zur Herstellung von blechebenen Aluminium Stahl Tailored Blanks. Sie werden durch einen Kaltpressschweißvorgang bei gleichzeitiger Umformung durch Walzen hergestellt und weisen, anders als bei schmelzgeschweißten Tailored Blanks, keine interkristallinen Phasen auf. Damit eignen sie sich prinzipiell auch für Karosserieaußenteile. Den größten Umfang nehmen die strukturierten Feinbleche als neuartige Halbzeuge für den Konstruktionsprozeß ein. Ihr Materialverhalten wird ausführlich dargestellt und unter Nutzung von FEM- Simulationen erläutert. Die dazu entwickelten angepassten Prüfverfahren werden vorgestellt. Sie unterscheiden sich erheblich von den Prüfverfahren für glatte Bleche, die nur das Materialverhalten, nicht aber die Halbzeugeigenschaften wiedergeben. Die durchgeführte Zug-, Biege- und Torsionversuche zeigten eine starke Struktur- und Materialabhängigkeit. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur mechanischen und wirkmedienbasierten Umformung werden vorgestellt und auf ihre Praxistauglichkeit überprüft. Dabei werden Kennwerte für Werkzeuge und Strukturen für die Konstruktion bereitgestellt. Die für die Gestaltung von Bauteilen oft so wichtigen Fügeverfahren des Klebens, Punktschweißens und Schraubens werden an strukturierten Feinblechen sowohl untereinander als auch mit glatten Feinblechen untersucht und dargestellt. Zusammenfassend werden die Vor- und Nachteile der neuen Halbzeugarten sowie weiterer Forschungsbedarf beschrieben. Für jedes Halbzeug sind Konstruktions- und Gestaltungshinweise erarbeitet worden.show moreshow less
  • Nowadays, lightweight constructions are often applied to allow for sustainable and economical design and production within the mechanical and automotive industry. This is still based on the application of metal materials due to their excellent recyclability and workability, even upon their inherent high density properties. New technologies, like special manufacturing and joining methods as well as the availability of newly developed semi-finished parts are leading to the application of innovative construction solutions. Sheet metals are mainly manufactured by the application of steel, aluminium and magnesium alloys. The current development processes as well as the manufacturing of these materials are therefore described in the introduction of this work. It is followed by a classification and a description of the manufacturing of semi-finished parts which is focused on lightweight production. This includes difficulties and obstacles occurring during processing. By means of lightweight steel tubes, the deformation caused by tube drawingNowadays, lightweight constructions are often applied to allow for sustainable and economical design and production within the mechanical and automotive industry. This is still based on the application of metal materials due to their excellent recyclability and workability, even upon their inherent high density properties. New technologies, like special manufacturing and joining methods as well as the availability of newly developed semi-finished parts are leading to the application of innovative construction solutions. Sheet metals are mainly manufactured by the application of steel, aluminium and magnesium alloys. The current development processes as well as the manufacturing of these materials are therefore described in the introduction of this work. It is followed by a classification and a description of the manufacturing of semi-finished parts which is focused on lightweight production. This includes difficulties and obstacles occurring during processing. By means of lightweight steel tubes, the deformation caused by tube drawing as well as the formation due to the application of low pressure fluids (hydroforming) is explained. Furthermore, different manufacturing methods are discussed, which are especially suited to plane structures and space frame structures, being a combination of round tube profile and bending beam. A major part also focuses on the development of a production method for plane aluminium-steel tailored blanks. These are connected by a combination of cold pressure welding and a rolling procedure and therefore differently to fusion weld processes, since no intergranular phase occurs, applicable for outboard body parts. The main focus in this work, however, is structured sheet metal as a new group of semi-finished parts within the design process. Their material behaviour is described in detail, and extensively explained using Finite Element Analysis. It is further presented how test methods had to be adapted to facilitate investigations on properties of semi-finished parts rather than only test material behaviour which is common in testing plane sheet metals. Performing tensile testing, bending tests and torsion tests on these samples showed a strong dependence of structure and material. The results of mechanical tests and tests with active fluid mediums are evaluated regarding there suitability for industrial applications. Characteristic data for tools and structures for design solutions are provided. In the following step, joining methods like bonding, spot welding and bolting are investigated. This is accomplished by both comparing joined structured sheet metals as well as by investigating the bond mechanism between structured and plane sheet metals using earlier mentioned methods. In summary, advantages and disadvantages of semi-finished parts are discussed, besides further need for research, construction and design notes for each part are given.show moreshow less

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Metadaten
Author: Simon, Sylvio
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-502
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Viehweger, Bernd
Document Type:Habilitation
Language:German
Year of Completion:2006
Date of final exam:2006/12/04
Release Date:2007/02/13
Tag:Fügeverfahren; Kaltpressschweißen; Leichtbau; Punktschweißen; Wirkmedienbasierte Umformverfahren
Active medium forming (hydroforming); Cold pressure welding; Joining technologies; Lightweight construction; Spot welding
GND Keyword:Gestaltung; Konstruktion; Metallischer Werkstoff
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Konstruktion und Fertigung
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Konstruktion und Fertigung