Im Forschungsprojekts Design2Collide wird das Verbinden von hochfesten Aluminium- und Stahlwerkstoffen miteinander durch das Kollisionsschweißen untersucht. Ziel des Projektes ist die Qualifikation des elektromagnetischen Pulsschweißens als Fertigungsverfahren für den Einsatz bei hybriden Leichtbaustrukturen aus diesen hochfesten Werkstoffen.

Motivation

Stetig steigende Energiepreise und das Bewusstsein über den kontinuierlich voranschreitenden Klimawandel treiben in vielen Industriezweigen den Fokus auf einen verbesserten Leichtbau und die damit einhergehenden Reduktionen beim Verbrauch an fossilen Rohstoffen und dem CO2-Ausstoß weiter voran.

Diesbezüglich nimmt die Multi-Material-Bauweise mit ihrem Leitsatz „das richtige Material am richtigen Ort“ im Bereich des Leichtbaus einen festen Platz ein. So eröffnen neue Werkstoffe mit optimierten mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften den Weg zu Leichtbaupotenzialen, welche allerdings nur mit den passenden Fügetechnologien final erschlossen werden können. So gilt es dabei die erwünscht unterschiedlichen Eigenschaften der Werkstoffe in Einklang zu bringen, ohne die Leistungsfähigkeit der Gesamtstruktur durch die zwangsweise notwendigen Fügestellen zu senken. Bei den im Serienmaßstab genutzten hochfesten Aluminium- und Stahllegierungen ist dies zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht angemessen umsetzbar, sodass nur die Mono-Material-Bauweise verbleibt und ein enormes CO2-Reduktionspotenzial unerschlossen bleibt.

Das elektromagnetische Pulsschweißen als automatisierbarer Vertreter der Kollisionsschweißverfahren kann an diesem Punkt Abhilfe schaffen, da es stoffschlüssige, hochfeste Verbindungen derart unterschiedlicher Metalllegierungen ohne die Ausbildung von Wärmeeinflusszonen oder intermetallischen Phasen sowie den damit einhergehenden Festigkeitsverlusten bei gleichzeitig gut umsetzbarem Korrosionsschutz erlaubt. Dazu wird bei diesem Verfahren ein Fügepartner, der sogenannte Flyer, durch ein elektromagnetisches Feld auf einen stationären Fügepartner, das sogenannte Target, beschleunigt, wobei sich bei der Kollision eine stoffschlüssige Verbindung in fester Phase bildet.

Um die Anforderungen an die Fügestellen in hybriden Leichtbaustrukturen aus hochfesten Stahl- und Aluminiumwerkstoffen zu erfüllen, werden im Projekt werkstoffwissenschaftliche, fertigungstechnische und konstruktive Expertise kombiniert.

Lösungsweg

Ausgehend von Problemstellungen der Industrie, die sich aus gestiegenen Ansprüchen an hochfeste sichere Fügeverbindungen und der gleichzeitig notwendigen Ressourceneffizienz zusammensetzen, werden zunächst die Bedürfnisse der Anwender zusammen mit den assoziierten Partnern in Anforderungen und Randbedingungen an das elektromagnetische Pulsschweißen als Fügeverfahren für hochfeste Werkstoffe überführt. So ist das übergeordnete Ziel des Vorhabens, den Technologiereifegrad des Fügens hoch beanspruchbarer, hybrider Strukturbauteile aus hoch- bis höchstfesten Aluminiumlegierungen und Stahl mittels elektromagnetischem Pulsschweißen für die industrielle Nutzbarkeit zu erhöhen.

Den zuvor beschriebenen technologischen Anforderungen wird durch umfangreiche Forschungsarbeiten in Labor- und industrieller Umgebung in den Bereichen werkstoff- und anwendungsspezifischer Einflussgrößen sowie ganzheitlicher numerischer Prozessabbildung entgegengewirkt. Die Übertragung des Prozessfensterverständnisses und der Maßnahmen zu deren Erweiterung auf hoch- und auch höchstfeste Werkstoffpaarungen soll in Verbindung mit erweiterten numerischen Modellen erstmalig die präzise Vorhersage verbundener Bereiche bei Kollisionsschweißverfahren ermöglichen. Voraussetzung hierfür ist die Erforschung werkstoffspezifischer Prozessgrenzen sowie neuer Materialmodelle und die Erweiterung der numerischen Simulation um strömungsmechanische Vorgänge im Fügespalt. Durch die anwendungsspezifischen Erkenntnisse zur Kombination verschiedener Halbzeuge und Schweißkonfigurationen, den Einflüssen aus vor- und nachgelagerten Wertschöpfungsschritten sowie den resultierenden Prozess- und Bauteiltoleranzen soll es möglich werden, die durch die Fertigungshistorie beeinflussten Eigenschaften in eine prozessketten- und anwendungsgerechte Verbundauslegung für verschiedene Beanspruchungsszenarien mit einem digitalen Zwilling einfließen zu lassen. Robuste Prozessketten werden durch die Übertragung der Analyse des Prozessleuchtens zur Inline-Prozessüberwachung in die industrielle Anwendbarkeit sowie durch die Integration automatisierter thermographischer Verbundprüfungen gewährleistet. Um das Erreichen der erhöhten industriellen Nutzbarkeit zu bestätigen, erfolgt die Abbildung eines in industrieller Umgebung umgesetzten, automatisierten Demonstrationsprozesses. Mithilfe des Demonstrationsprozesses werden Laboruntersuchungsergebnisse überprüft, anwendungsnah validiert und um Einflüsse der Fertigungsumgebung erweitert.

Danksagung

Das Verbundprojekt Design2Collide – Kollisionsgeschweißte Hybrid-Leichtbaustrukturen wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Das PtU dankt dem Projektträger Forschungszentrum Jülich GmbH und den Verbundpartnern, die im Forschungsprojekt Design2Collide mitwirken.

Ferner bedanken wir uns bei allen Industriepartnern, die das Forschungsprojekt Design2Collide als assoziierte Partner begleiten.

Gefördert durch

Projektträger

Projektpartner

Industriepartner