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Leichtbauwerkstoffe

Bild zum Forschungsbereich Leichtbauwerkstoffe

Die Arbeitsgruppe Leichtbauwerkstoffe beschäftigt sich mit Charakterisierung, Entwicklung und Prozessieren von Aluminiumgusslegierungen.

Mitarbeiterfoto Peter Randelzhofer

Peter Randelzhofer, M.Sc.

Mitarbeiterfoto Jonathan Wedler

Jonathan Wedler, M.Sc.

Mitarbeiterfoto David Himmler

David Himmler, M.Sc.

Mitarbeiterfoto Yan Zeng

Yan Zeng, M.Sc

Mitarbeiterfoto Oleksandr Trudonoshyn

Oleksandr Trudonoshyn, M.Sc.

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Abschlussarbeiten

Sonstige

Technical Reports

Ziel dieses Teilprojektes ist die Integration piezokeramischer Sensor-Aktor-Module in metallische Bauteile in einem Druckgießprozess. Den Lösungsweg für die schädigungsfreie Integration stellt die Ummantelung der einzugießenden Module mit einer von der Schmelze leicht durchdringbaren Drahtgewebestruktur dar. Hierbei minimiert die homogene Stützwirkung der Gewebestruktur die auf das Modul wirkenden lokalen Kräfte. Mit Hilfe von FE Simulationen wurden Prozessstrategien entwickelt, welche die bei der Abkühlung entstehenden Spannungen hinsichtlich Versagen und späterer Funktionalität optimieren.

In der letzten Projektphase soll ein Werkzeugsystem entwickelt werden, das die Fixierung der Module ohne Stützstruktur ermöglicht.

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The aim involved in designing metal matrix composite materials is to combine the desirable properties of metals and ceramics. The addition of high strength, high modulus refractory particles to a ductile metal matrix produces MMCs whose mechanical properties are excellent, such as high strength to weight ratio, high stiffness and good wear resistance. Due to these excellent attributes, MMCs are widely used in aerospace, automobiles, etc.
Among the variety of manufacturing processes available for particle reinforced aluminum materials, stir casting is generally accepted as a particularly promising approach as a result of its simplicity, flexibility, applicability to large quantity production and low costs of production. Though, in preparing particle reinforced aluminum materials by stir casting, we have to consider the following difficulties:
(1) How to achieve a uniform distribution of the reinforcement material.
(2) Promoting the wettability between the two main substances;
(3) Control chemical reactions between the reinforcement material and the matrix alloy.
A new high shear technology can be applied in producing particle reinforced aluminum materials. The aluminum melt is strongly sheared in the semi-liquid or liquid state. The high shear forces produced by a special designed impeller lead to very homogeneous dispersions of additives like particles. In addition, shearing has influence on the homogeneity of the melt and leads to finer grain structures. These effects are expected to be beneficial for the fabrication of metal matrix composites. Therefore, the particular focus of the project is to use shear device to introduce particles into an aluminum melt before die casting and the main aim is to evaluate the potential of the new high shear technology for conditioning of aluminum melts for pressure die casting.

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With Al-Mg-Si-Mn casting alloys with compositions inside of the pseudobinary section of the subsequent ternary phase diagram, the effect of Zn, Ti, Sc and Ag additions on the precepetation of nanoparticels in as-cast and heat-treated conditions as well as mechanical properties under different conditions (as-cast, solution treated, quenched andaged) will be studied. Despite of the established foundry practce of several Al-Mg-Si-Mn and Al-Zn-Mg casting alloys subjected to high pressure die casting only little research was done either on structure formation or strengthening mechanisms of these alloys and mechanical properties that can be achieved after additional alloying.

In frame of this project as cast conditions of AlMg5Si2Mn alloyed by Zn, Ti, Sc and Ag will be investigated paying attention to precipitates formed in solid solution matrix prior to heat treatment and changes of mechanical properties from as-cast state to age hardened.

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Die Auslegung von sicherheitsrelevanten Gussteilen im Leichtbau erfordert eine Berücksichtigung der inhomogenen Werkstoffeigenschaften bereits in der Konstruktionsphase, was aktuell in der Praxis noch nicht vollzogen ist. Durch Kopplung der Prozesssimulation mit der Lebensdauerberechnung sollen eine frühe Bewertung fertigungsbedingter Fehler im Hinblick auf die Schwingfestigkeit erreicht werden und konstruktive Maßnahmen zur optimierten Auslegung abgeleitet werden. Am Beispiel des Kokillengussverfahrens von Aluminium wird diese virtuelle Prozesskette erarbeitet und validiert. Die Modellierung der Herstellung beschreibt detailliert die Entstehung fertigungstypischer Defekte und die Evaluierung der Eigenschaften wird experimentell an entsprechenden, gezielt eingestellten Werkstoffzuständen durchgeführt. Damit wird eine frühe und sichere Bewertung durch rechnerische Bestimmung der Schwingfestigkeit möglich, die an einem Demonstrator vollzogen und im Anschluss an Realbauteilen validiert wird.

Ziel dieses Projekts im Verbund:

Die einzelnen Prüfkörper und Bauteile werden nach der zerstörenden Prüfung fraktografisch untersucht. Durch Betrachtung der Bruchflächen wird versucht, auf den Bruch auslösenden Bestandteil des Gefüges zu schließen und diesen zu dokumentieren. Im Einzelnen soll untersucht werden:

  • Art des bruchauslösenden Gefügemerkmals (Erstarrungspore, Gaspore oder Oxidfilm)
  • Größe, Ausprägung und Lage im Probekörper

Die Untersuchungen erfolgen vor allem im Rasterelektronenmikroskop. In Werkstoffen mit hinreichend großen Defekten (wie Gussporen und Einschlüsse) werden diese zum Ort des kritischen Anrisses. Sie können im Allgemeinen gut auf den Bruchflächen an Hand der Bruchverlaufslinien nachgewiesen werden. Eine Ausnahme stellen aber Oxidfilme dar, die oft nicht oder nur unzureichend sichtbar gemacht werden können. Hier muss im vorliegenden Forschungsprojekt Neuland betreten werden. Als Lösungsweg bieten sich REM-FIB-Untersuchungen an.

An ausgewählten Proben werden metallografische Schliffe zur Dokumentation der Mikrostruktur (im Zusammenhang mit dem Bruch) und der Porosität erstellt. Die Ergebnisse werden entsprechend statistisch aufgearbeitet und mit den Ergebnissen der gerechneten Defektverteilung korreliert.

Zusätzlich soll der Einfluss der defektfreien Mikrostruktur, insbesondere des Eutektikums, auf die Schwingfestigkeit untersucht werden. Dabei steht im Vordergrund, die Rolle der Morphologie des interdendritischen Bereichs zu evaluieren.

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Zellulare Materialien repräsentieren eine Materialklasse, deren strukturbedingte Eigenschaften mit abnehmender Zellgröße immer weiter an Potenzial gewinnen. Daher stellt die Reduzierung der Zellgröße werkstoffübergreifend ein wichtiges Entwicklungsziel dar. Weit fortgeschritten ist man bei Polymeren. Die Herstellung von mikro-zellularen Polymeren ist kommerzialisiert und man arbeitet bereits an der Realisierung nanozellularer Schäume. Ganz anders ist die Situation bei den Metallen. Die hier nach dem Stand der Technik realisierbaren Zellgrößen liegen bei relevanten Dichten im mm-Bereich. Ziel dieses Projektes ist es, eine theoretische und technologische Basis zur Herstellung von mikrozellularen Schäumen zu erarbeiten. Mit der angestrebten Zellgröße ~ 100 μm sollen nicht nur dünnwandige Strukturen realisierbar sondern auch das Materialpotenzial weiter ausgeschöpft werden. Dieses Ziel soll mit Hilfe eines am Lehrstuhl entwickelten Verfahrens zur Herstellung von geschäumten Druckgussbauteilen erreicht werden. Aufbauend auf dem bei WTM vorhandenen experimentellen und theoretischen Wissen zur Schaumentstehung werden neue Ansätze zur Beeinflussung der Blasenkeimbildung und Schaumstabilisierung realisiert.

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Die Darstellung komplexer Geometrien lässt den konventionellen Druckguss schnell an Grenzen stoßen. Die Realisierung geometrisch einfacher Hinterschnitte ist nur durch den Einsatz mechanisch aufwendiger und wartungsintensiver  Schiebertechnologien möglich. Aus dem Sand- und Kokillenguss bekannte Sandkerne mit ihren organischen und anorganischen Bindersystemen halten den verfahrensspezifischen Drücken und Geschwindigkeiten nicht Stand und sind deshalb nicht für die Anwendung im Druckguss geeignet. Die Verwendung verlorener Kerne aus Salz stellt hier eine Lösung dar. Nach dem Abgießen werden die Kerne mittels Hochdruckwasserstrahl vollständig aus dem Bauteil entformt und ermöglichen so die sandfreie Darstellung komplex hinterschnittiger Konturen im Leichtmetall-Druckguss.

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Complex 3-D carbon fibre preforms are to be infiltrated with aluminium in a high pressure die casting process. If our approach is successful, it will represent a major breakthrough compared to gas pressure infiltration, the state-of-the-art technology to manufacture fibre reinforced metal parts. Compared to the above mentioned technology, pressure die casting offers several advantages. The short cycle times characteristic for this process are not only of a substantial economic advantage, but also constrict the kinetically controlled deleterious reactions between the fibre-preforms and the aluminium matrix. Based on results of preliminary die casting experiments and numerical simulations of the infiltration process, an advanced mould design was realized in the past project phase further improving fibre preform preheating. In combination with advanced alloy compositions and fibre coatings developed by the project partners the main aims of the proposed continuation are to realize metal matrix composites (MMC) with improved transversal strength and ductility. A detailed understanding of the interface reactions is necessary to relate processing parameters, alloy and coating composition to the mechanical properties of the obtained MMC. In order to rationalise results, advanced microstructural investigations like SEM-FIB, high resolution TEM and numerical calculations of the infiltration process with Flow-3D and ABAQUS are envisaged.

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Metallschaum weist eine Reihe interessanter Eigenschaften auf, wie z.B. geringes Gewicht, hohe Energieabsorption und hohes Dämpfungsvermögen. Hochdruckintegralschaumgießen ist eine wirtschaftliche Route zur Darstellung von Gussteilen mit integrierter zellularer Struktur, d.h. mit einer kompakten Außenhaut und einem geschäumten Bauteilkern, wobei zwischen Schaumkern und Außenhaut ein kontinuierlicher, stoffschlüssiger Übergang besteht. Analog zum kommerziell äußerst erfolgreichen Integralschaumgießen von Polymeren wurden für das Integralschaumgießen von Leichtmetallen zwei prinzipiell unterschiedliche Verfahrensroutinen entwickelt:

In beiden Fällen wird eine treibmittelbeladene Leichtmetallschmelze in die Druckgussform aus Stahl eingespritzt. Beim Niederdruckintegralschaumgießen wird, im Unterschied zum Standarddruckgießprozess, absichtlich keine vollständige Kavitätsfüllung vorgenommen. Durch die Gasfreisetzung aus dem Treibmittel wird die noch nicht erstarrte Schmelze im Bauteilkern aufgeschäumt, wodurch eine vollständige Ausfüllung der Bauteilkavität erfolgt. Beim Hochdruckintegralschaumgießen dagegen wird  eine vollständige Kavitätsfüllung vorgenommen und kurzzeitig ein hoher Nachdruck aufgebracht. Das Aufschäumen des Bauteilkerns erfolgt durch eine gezielte Vergrößerung der Bauteilkavität. Diese Kavitätserweiterung muss abgeschlossen sein, bevor die Schmelze im Bauteilkern erstarrt ist.

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Die Entwicklung von multifunktionalen Leichtbauteilen durch Integration zusätzlicher Funktionen in der Struktur ist aktuell ein vielversprechendes Konzept, so z.B. die Kombination von Leichtbaustrukturen mit piezokeramischen Sensoren und Aktoren. Passive Strukturen werden durch zusätzliche adaptive Funktionalität modifiziert und können sowohl zur aktiven Strukturüberwachung als auch zur aktiven Vibrationskontrolle und -dämpfung herangezogen werden. Zum Einsatz kommen dabei kommerziell erhältliche piezokeramische Sensor-/Aktor-Module, die sich aus PZT-Folie, Kontaktierung und Polymereinbettung zusammensetzen. Herausforderungen bestehen in der reproduzierbaren Positionierung des Inserts im Druckgussteil, im Erzielen einer stoffschlüssigen Anbindung des Inserts sowie in der Gewährleistung der Funktion nach dem Druckgussprozess. Diese Aktivitäten sind eingebettet im Sonderforschungsbereich SFB/TR 39 (http://www.pt-piesa.tu-chemnitz.de/P_3/index.php).

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Die Darstellung komplexer Geometrien lässt den konventionellen Druckguss schnell an Grenzen stoßen. Die Realisierung geometrisch einfacher Hinterschnitte ist nur durch den Einsatz mechanisch aufwendiger und wartungsintensiver  Schiebertechnologien möglich. Aus dem Sand- und Kokillenguss bekannte Sandkerne mit ihren organischen und anorganischen Bindersystemen halten den verfahrensspezifischen Drücken und Geschwindigkeiten nicht Stand und sind deshalb nicht für die Anwendung im Druckguss geeignet. Die Verwendung verlorener Kerne aus Salz stellt hier eine Lösung dar. Nach dem Abgießen werden die Kerne mittels Hochdruckwasserstrahl vollständig aus dem Bauteil entformt und ermöglichen so die sandfreie Darstellung komplex hinterschnittiger Konturen im Leichtmetall-Druckguss.

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Die Weiterentwicklung der Aluminiumbasiswerkstoffe zielt überwiegend auf die Erhöhung der Festigkeit ab, ohne dabei die Duktilität negativ zu beeinflussen. Neben der Festigkeit wird zudem eine Erhöhung der Steifigkeit angestrebt. Im Gegensatz zur Festigkeit kann bei Aluminiumgusslegierungen die Steifigkeit nur in einem sehr geringen Maße durch Legierungselemente verändert werden. Eine substanzielle Erhöhung der Steifigkeit ist durch die Erzeugung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen möglich. Allerdings führt die schlechte Benetzbarkeit zwischen Matrix und keramischen Partikeln in Kombination mit den sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu vergleichsweise schlechten Materialeigenschaften. Ein möglicher Ansatz, das Problem der Benetzbarkeit und der mangelnden Anbindung der Partikel an die Matrix zu lösen, ist die Verwendung von intermetallischen Phasen auf Basis von Aluminium als Verstärkungskomponente. Diese Phasen zeichnen sich durch eine niedrige Dichte  und eine gute Benetzbarkeit mit der Aluminiummatrix aus. Zudem können diese Phasen durch eine in-situ Reaktion in der Aluminiumschmelze entstehen, der Volumenanteil an Verstärkungsphase nimmt bei dieser Reaktion zu. Durch eine spezielle Rührtechnologie wird gewährleistet, dass die Verstärkungsphase sich fein verteilt und die Matrix feinkörnig erstarrt.

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Obwohl Legierungssysteme auf Basis von Al-Mg-Si-Mn bereits erfolgreich im Markt etabliert sind, ist das Verständnis für Mikrostrukturbildung und Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften noch nicht vollständig wissenschaftlich durchdrungen. Es soll der Einfluss zusätzlicher Legierungselemente untersucht werden mit dem Ziel, durch Zugabe geringer Mengen bestimmter Elemente die Festigkeit zu erhöhen bei gleichbleibender Duktilität. Die Eignung für industrielle Prozesse darf dabei nicht berührt werden.

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Die Auslegung von sicherheitsrelevanten Gussteilen im Leichtbau erfordert eine Berücksichtigung der inhomogenen Werkstoffeigenschaften bereits in der Konstruktionsphase, was aktuell in der Praxis noch nicht vollzogen ist. In der Regel werden globale Bauteileigenschaften für die Auslegung herangezogen, beispielsweise der Volumenanteil der Porosität in Hinblick auf die Schwingfestigkeit. Es wird angestrebt, Einfluss von Mikrostruktur und Gussdefekten auf die mechanischen Eigenschaften nach Art, Größe, Morphologie und Lage der Einzeldefekte zu differenzieren. Diese Ergebnisse, eingespeist in die Lebensdauerberechnung und gekoppelt mit der Prozesssimulation, sollen eine frühe Bewertung fertigungsbedingter Fehler ermöglichen, woraus konstruktive Maßnahmen zur optimierten Auslegung abgeleitet werden können.

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