Eigenschaften individuell gefertigter Bauteile für Umformanlagen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dr.-Ing. Richard Krimm, M. Sc. Stefan Fries, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Sebastian Härtel, M. Sc. Alexander Schmidt, Fachgebiet Hybride Fertigung, Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
126 Seiten - 83,00 EUR (sw, 77 teils farbige Abb., 16 Tab.) 
ISBN 978-3-86776-660-9
Zusammenfassung
Die Dauerschwingfestigkeit ist eine wichtige sowie für die Auslegung von zyklisch belasteten Bauteilen in Umformmaschinen notwendige Materialkenngröße. Diese Kenngröße ist nicht nur material-, sondern auch fertigungsprozessabhängig. Aufgrund der rapiden Entwicklung von additiven Fertigungsanlagen und Werkstoffen mangelt es an hinreichenden Erfahrungswerten zu den Betriebseigenschaften von additiv gefertigten Bauteilen.
Daher ist es wichtig, die Eignung von additiv gefertigten Bauteilen für Umformmaschinen im Vorfeld technologisch und wissenschaftlich zu untersuchen. Die Ermittlung der Dauerschwingfestigkeit von additiv gefertigten Komponenten für Umformmaschinen liefert außerdem einen Mehrwert für die konstruktive Auslegung anderer AM-Bauteile mit einem vergleichbaren Belastungskollektiv und ermöglicht eine Topologieoptimierung von Komponenten von Umformmaschinen.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die Dauerschwingfestigkeit additiv gefertigter Bauteile in Abhängigkeit von der Gesamtheit der Herstellungsparameter eines WAAM-Prozesses sowie diverser Nachbehandlungsmethoden erfolgreich anhand des Fallbeispiels Pleuel ermittelt.
Außerdem wurde die Anwendbarkeit von WAAM-Prozessen (Wire Arc Additive Manufacturing - Lichtbogenverfahren) zur Herstellung von individuellen Anlagenbauteilen für den Bereich Umformmaschinen erfolgreich belegt. Mit den ermittelten Dauerschwingfestigkeitswerten konnte eine Grundlage zur Auslegung weiterer AM-Bauteile mit vergleichbaren Belastungskollektiv sowie Topologieoptimierung genannter Bauteile geschaffen werden.
Die Untersuchungen erfolgten an Laborproben geeigneter Geometrie in Bezug auf das Realbauteil und unter Gewährleistung der thermischen Übertragbarkeit auf Realbauteile. Abschließend ist mittels eines skalierten Demonstratorbauteils die Machbarkeit nachgewiesen worden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Eigenschaften individuell gefertigter Bauteile für Umformanlagen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21219BG über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 601 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Fatigue strength is an important material property that is essential for the design of components subjected to mechanical stresses in forming machines. This property is not only dependent on the material, but also on the manufacturing process.
However, due to the rapid development and transfer of additive manufacturing equipment and materials into today's economy, there is a lack of adequate empirical values regarding the operating properties of additively manufactured components. Therefore, it is important to technologically and scientifically study the suitability of additively manufactured components for forming machines in advance.
The determination of the fatigue strength of additively manufactured components for forming machines also provides added value for the design of other AM components with a comparable load spectrum and allows topology optimization of said components of forming machines.
Within this research project, the fatigue strength of additively manufactured forming machine components was successfully determined in relation to the entire manufacturing parameters of a WAAM process as well as various post-treatment methods using the conrod as a case study. In addition, the suitability of the WAAM processes for the production of individual machine components has been successfully demonstrated for forming machines.
The determined fatigue strength values provide a basis for the design of further AM components with a comparable load spectrum as well as for the topology optimization of the components mentioned.
The investigations were carried out on laboratory specimens of suitable geometry in relation to the real component and with the guarantee of thermal transferability to real components. Finally, the feasibility was demonstrated by means of a scaled demonstrator component.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis, Formelzeichen, Indizes
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Additive Fertigungsverfahren
2.2 Betriebsfestigkeit
2.3 Grundlagen des Wöhler-Diagramms
2.3.1 Spannungskonzepte
2.3.2 Das Wöhlerdiagramm
2.3.3 Einflussgrößen auf das Wöhlerdiagramm
2.3.4 Statistische Auswertungsverfahren
2.3.5 Auswertung im Dauerfestigkeitsbereich
2.3.6 Auswertung mittels der Methode nach Hück
2.3.7 Auswertung nach Dixon and Mood
2.3.8 Auswertung mittels Maximum-Likelihood
2.3.9 Gegenüberstellung von Auswertemethoden im Dauerfestigkeitsbereich
2.4 Maschinensimulation
2.4.1 Simulation der Maschinendynamik
3 Forschungsziele und Lösungsweg
4 Festlegung von Demonstratoren und Werkstoffen
4.1 Auswahl des Demonstrators
4.2 Versuchswerkstoffe
5 Simulationsgestützte Untersuchungen
5.1 Beschreibung des elastischen Mehrkörpermodells
5.1.1 Starres Mehrkörpermodell
5.1.2 Elastische Abbildung von im Kraftfluss befindlichen Komponenten
5.1.3 Modellvalidierung
5.1.4 Modellanpassungen
5.2 Frequenzanalyse
5.3 Ermittlung von Belastungszuständen im Pleuel
6 Probenfertigung unter Gewährleistung thermischer Ähnlichkeit
6.1 Ergebnisse Voruntersuchungen SG2
6.2 Ergebnisse Voruntersuchungen 15-5PH
6.3 Zur Herstellung von Dauerschwingproben verwendete Bahnführungsstrategien
6.4 Übertragbarkeit der Schweißergebnisse auf Realbauteile anderer Geometrien
6.4.1 Thermische Simulationen des Schweißprozesses
6.4.2 Hybride Bahnführungsstrategien zur gezielten Einstellung relevanter Abkühlzeiten
7 Versuchsgestaltung
7.1 Versuchsauslegung
7.2 Prüfmaschinen
7.3 Probengeometrie
7.4 Ablauf zur Erstellung von Versuchsdaten
7.5 Probenübersicht
8 Versuchsauswertung
8.1 Automatisches Auswertprogramm
8.2 Zeitfestigkeitsanalyse
8.3 Dauerfestigkeitsanalyse
8.3.1 Treppenstufenversuch SG2 Referenz
8.3.2 Treppenstufenversuch SG2 Bahnorientierung 45°
8.3.3 Treppenstufenversuch SG2 Aufbaustrategie
8.3.4 Treppenstufenversuch SG2 rau
8.3.5 Treppenstufenversuch SG2 gefräst, ungeschliffen
8.3.6 Treppenstufenversuch SG2 gefräst, gewalzt
8.3.7 SG2 Referenz, Versuche mit Rechteckbelastung
8.3.8 Treppenstufenversuch 15-5PH
8.4 Ergebnisse
8.5 Übertragung auf Demonstratorgeometrie
9 Erkenntnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literaturverzeichnis
