Herstellung hybrider intelligenter Konstruktionselemente durch teilflüssige Formgebung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Zielsetzung des Teilprojekts TP3 bildete die Generierung von Konstruktionselementen mit sensorischen und aktorischen Eigenschaften, welche aus der definierten Kombination unterschiedlicher Werkstoffe bzw. Werkstoffklassen im Sinne verstärkter Leichtmetallmatrizes bestehen. Zur Herstellung derartiger hybrider intelligenter Elemente wurde das Semi-Solid-Formgebungsverfahren mit dem Potenzial der Verbundwerkstofftechnik kombiniert. Durch die stoffliche und konstruktive Kombination unterschiedlicher Metall- und Faser(verbund)werkstoffe wurde dabei zum einen ein höherer Leichtbaugrad für solche Konstruktionselemente erzielt und zum anderen intrinsische, stoffliche Bauteileigenschaften erzeugt, die von denen monolithischer metallischer Werkstoffe sichtbar abweichen. Während das in der ersten Förderphase hergestellte hybride Kraftumlenkelement ausschließlich mit einer sensorischen Funktion ausgestattet wurde, war es Ziel der zweiten Förderperiode, durch die zusätzliche Integration aktorischer Elemente zielgerichtet auf am Gesamtdemonstrator der Forschergruppe detektierte Lastveränderungen reagieren zu können. Somit wurde das in der 1. FÖP entwickelte Kraftumlenkelement zu einem „nachspannenden Hebelelement“ weiterentwickelt. Untersuchungen an den hergestellten Bauteilen zeigten, das intermetallische Verbindungen zwischen eingeschmiedeten höherfesten Inlays (Gewindebuchsen) und der Aluminiummatrix während der Formgebung entstehen und darüber hinaus ein sehr guter Formschluss besteht. Des Weiteren konnte eine sehr homogene, nahezu fehlerfreie Gefügestruktur der Matrixlegierung nachgewiesen werden. Die Bauteile wiesen zusätzlich eine sehr hohe reproduzierbare Maßhaltigkeit auf, welche der Toleranzklasse IT8 entspricht. Darüber hinaus wurden im Rahmen des TP B3 Faserrovings (Basalt, Glas, Kohlenstoff, Keramik) mittels Formgebung im teilflüssigen Materialzustand in plattenförmige Bauteile eingebettet und anschließend Zugproben herausgearbeitet. Mithilfe der durchgeführten Zugversuche konnte festgestellt werden, dass die MMCs mit Carbon-, Glas- und Basaltfaserverstärkung hinsichtlich der erzielten Zugfestigkeiten und E-Moduln bei geringen Dehnungen gut mit den theoretisch nach der „Rule of Mixture“ berechneten Kennwerten korrelieren. Es wurde somit nachgewiesen, dass es möglich ist, eine Eigenschaftsmodifikation von Aluminiumwerkstoffen durch die Einbringung unterschiedlicher Faserwerkstoffe zu realisieren und somit Bauteileigenschaften in einem gewissen Maße an vorgegebene Belastungscharakteristiken anzupassen. Ein weiterer Arbeitspunkt befasste sich mit der Herstellung metallischer Endverbindungen für GFK-Stäbe. Dabei konnte die grundsätzliche Machbarkeit solcher Bauteile nachgewiesen werden. Bei den Formgebungsversuchen wurden die eingeschmiedeten Zugstablängen zwischen 30mm und 65mm variiert. Für unterschiedliche Einschmiedelängen wurden dabei vergleichbare Zugkräfte erreicht und somit keine Abhängigkeit von der eingeschmiedeten Stablänge festgestellt. REM-Untersuchungen zeigten, dass die außenliegenden Fasern am Mantelbereich der Zugstäbe zumindest teilweise von der Metallmatrix infiltriert und die Polymer- durch die Aluminiummatrix ersetzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Manufacturing of Composite and Hybrid Materials by Semi Solid Forming. In: Proceedings of the 12th International Conference Semi-Solid Processing of Alloys and Composites (S2P2012), Cape Town (South Africa), 2012, Trans Tech Publications, Switzerland
Riedmüller, K. R. ; Liewald, M. ; Kertesz, L.
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Identification of innovative process chains for cold forging. In: Proceedings of the International Conference on “New Developments in Forging Technology”, Fellbach (Germany), 2013, ISBN 978-3-88355-395-5, S. 1-36
Liewald, M. ; Felde, A. ; Dörr, F. ; Hajyiheydari, E. ; Henry, R. ; Kannewurf, M. ; Mletzko, C. ; Riedmüller, K. R. ; Schiemann, T.
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Material Property Modification of Continuous Fibre-reinforced Aluminium Matrices Produced by Semi-solid Forming Strategies. In: KMUTNB: International Journal of Applied Science and Technology, 2014, Vol. 7, No. 3, S. 21-28
Liewald, M. ; Riedmüller, K. R.
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Material- und ressourceneffiziente Herstellung komplexer (Hybrid-)Bauteile mittels Thixo-Schmieden. In: Gießerei-Praxis, Fachverlag Schiele & Schön, Berlin, Heft 12, S. 618-621, 2015
Liewald, M. ; Riedmüller, K. R.
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Research activities and new developments in bulk metal forming at the Institute for Metal Forming Technology. In: Proceedings of the International Conference on “New Developments in Forging Technology”, Fellbach (Germany), 2015, ISBN 978-3-88355-409-9, S. 1-34
Liewald, M. ; Felde A.
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Herstellung intelligenter Konstruktionselemente durch Formgebung im teilflüssigen Materialzustand. In: Binz, H. (Hrsg.): Hybride Intelligente Konstruktionselemente – Abschlusskolloquium der DFG-Forschergruppe 981. Institutsbericht 643. Stuttgart: Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2016, S. 31-34, 133-143. – ISBN 978-3-922823-92-6
Riedmüller, K. R.; Liewald, M.
