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Intelligent light weight concepts are increasingly designed as multi-material systems in order to achieve optimized properties through a targeted combination of materials. For these applications, the market demands joining technologies that make it possible to join foreign materials reliably (e.g., incompatible thermoplastics, thermoplastic-metal and thermoplastic-thermoset). In view of these industrial challenges, thermoplastic staking is an established forming process. At present, computer-aided development and precise FE-simulation (finite element-simulation) of these processes are not state-of-the-art. Accordingly, the previous design is based on subjective empirical values and empirical tests of the component. Within the framework of the paper, these gaps are to be closed by the development of numerical models for the heating and forming behavior of thermal plastic rivets (hot air staking) and the associated experimental validation. This requires the experimental development of the cause-effect relationships between melt formation and the resulting forming behavior. Finally, the numerical simulation shows a high conformity to the experimental data and allows an evaluation of the minimum heating time as well as initial approaches to evaluating the resulting structures by the simulation.

High heat input during welding leads to transformations of the microstructure in the area subjected to welding, mostly resulting in an inhomogeneous microstructure and an overall deterioration of the mechanical properties. To restore these properties, post treatment processes which are typically separated from the welding process are state of the art. The present work focusses on recrystallization phenomena and shows the new methodology, WeldForming, which intends to eliminate subsequent treatment processes. The new inline process combination harnesses the synergies of a welding and a rolling process to ultimately prevent the typical zone formation of the heat affected zone. This is done by stimulating recrystallization and recovery processes. The development of the process is based on numerical simulations. A new aspect is the first time coupling of both processes in a single simulation model. The required material models were generated with the aid of thermophysical simulations. A novel approach is shown for creating a material model for the filler metal G4Si1 with the typical directed solidification microstructure. On the basis of the gained knowledge out of thermomechanical and numerical simulation, a process window was identified and a test setup was developed which gave the functional prove of the WeldForming process.

Infolge des Schweißprozesses kommt in der Fügezone zu einem sehr hohen Wärmeeintrag. Dieser führt im Zusammenspiel mit der darauffolgenden Abkühlung zu weitreichenden Veränderungen und Umwandlungen des Gefüges, was eine Reduzierung der mechanisch-technologischen Eigenschaften der Verbindung bewirken kann. Um dem entgegenzuwirken sind oft zeit- und kostenintensive Nachbehandlungsprozesse notwendig. In diesem Projekt wird ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem es möglich ist, den ohnehin vorhandenen Wärmeeintrag des Schweißprozesses direkt für einen nachfolgenden Umformprozess zu nutzen. Ziel dieser Prozesskopplung ist die gezielte Beeinflussung der Gefügeausbildung in der Fügezone. Die klassische Zonenausbildung – Schweißgut, Grobkorn, Feinkorn und interkritische Zone – soll somit umgangen und die Entstehung eines homogenen, grundwerkstoffähnlichen Gefüges erreicht werden. Dieser Effekt basiert auf statischen, metadynamischen und dynamischen Rekristallisations- und Erholungsprozessen, die während des Warmumformprozess im Fügebereich stattfinden. Der funktionelle Nachweis erfolgt anhand von experimentellen Untersuchungen sowie einer detaillierten numerischen Simulation des kombinierten Schweiß- und Umformprozesses. Die Validierung des numerischen Modells erfolgt anhand von Temperaturprofilen, Querschliffen und Mikrostrukturanalysen sowie an Fließkurven, die durch Stauchversuche an einem thermophysikalischen Simulationssystem ermittelt werden. Die Auswertungen zeigen, dass die typische Zonenausbildung durch das Schweißformen umgangen werden kann. Dabei ist eine Annäherung der mechanisch-technologischen Eigenschaften der Verbindung (Zugfestigkeit und Härte) an die des Grundwerkstoffes zu verzeichnen.

Tento článek zkoumá vliv velikosti původního austenitického zrna během procesu kalení a přerozdělení (Q-P) na finální mechanické vlastnosti Q-P oceli. Rozdíly v rozložení velikosti austenitické zrna mohou způsobit např. nerovnoměrnou rychlost ohřevu polotovarů před kovacím procesem. Za účelem kvantifikování tohoto vlivu bylo na válcových vzorkách z oceli 42SiCr provedeno definované tepelné zpracování na dilatometru. Rozdílná velikost austenitická zrna byla dosažena tepelným zpracováním, které předcházelo vlastnímu Q-P procesu. Výsledné mechanické vlastnosti byly popsány zkouškou tlakem a odpovídající mikrostruktura byla analyzována pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM). This paper examines how the initial austenite grain size in quench and partitioning (Q-P) processes influences the final mechanical properties of Q-P steels. Differences in austenite grain size distribution may result, for example, from uneven heating rates of semi-finished products prior to a forging process. In order to quantify this influence, a carefully defined heat treatment of a cylindrical specimen made of the Q-P-capable 42SiCr steel was performed in a dilatometer. Different austenite grain sizes were adjusted by a pre-treatment before the actual Q-P process. The resulting mechanical properties were determined using the upsetting test and the corresponding microstructures were analyzed by scanning electron microscopy (SEM). These investigations show that a larger austenite grain size prior to Q-P processing leads to a slightly lower strength as well as to a coarser martensitic microstructure in the Q-P-treated material.

Die additiven Fertigungstechnologien erleben seit einigen Jahren einen enormen Zuspruch bei der Herstellung von Einzelteilserien mit komplexen, endkonturnahen Geometrien und der Verarbeitung von Sonder- oder hybriden Werkstoffen. Prinzipiell lassen sich die Verfahren gemäß VDI- Richtlinie 3404 in drahtbasierte und pulverbasierte unterteilen. Eine weitere Unterteilung erfolgt hinsichtlich der Ausschmelztechnologie. Allen Verfahren ist gleich, dass schichtweise der Grundwerkstoff an den Stellen aufgetragen wird, wo er gemäß Endkontur benötigt wird. Damit ist ein immer wiederkehrender Wärmeeintrag verbunden, der somit Einfluss auf die Mikrostruktur der Bauteile und gleichzeitig auch auf die mechanischen Endeigenschaften ausübt. Die so erzeugten Komponenten sollten wenig Verzug oder Eigenspannungen als auch keine Porosität aufweisen, um die Gebrauchseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Das Ziel ist es mittlerweile, diese verschiedenen Technologien numerisch abzubilden, um die Bauteileigenschaften vorherzusagen und ggf. Optimierungspotenziale zu eruieren. Der untersuchte Prozess ist das drahtbasierte Mehrlagenschweißen mittels des Metallschutzgasschweißens, bei dem neben der Simulation auch die Validierung im Fokus hinsichtlich Geometrie und Gefügeausbildung in den Schweißlagen stand. Diesbezüglich wurden im vorliegenden Fall zum einen alle, für die numerische Simulation notwendigen Materialparameter (mechanische und thermophysikalische Kenngrößen) des Schweißzusatzwerkstoffes G4Si1 bestimmt und in ein kommerzielles FEM-Programm (MSC Marc Mentat) implementiert. Zum anderen erfolgt zukünftig die wissenschaftliche Analyse der Verbesserung der Bauteileigenschaft, in dem die Schweißnaht unter Ausnutzung der Schweißhitze warmumgeformt wird. Erste Ergebnisse numerischer Simulationsergebnisse zeigen positive Effekte. Diese zeigen mikrostrukturelle Veränderungen (Kornfeinung durch Rekristallisation) und führten letztendlich zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Der Vorteil dieser Verfahrenskombination ist außerdem die Kompensation des Verzuges durch die gezielte Umformung und einem gleichzeitigen „Richten“.

Das Formdrücken findet seine industrielle Anwendung in der Herstellung rotationssymmetrischer Hohlbauteile für kleine und mittlere Losgrößen. Diese Bauteile werden häufig in einem weiteren Verfahrensschritt als Vorform für die Herstellung profilierter Hohlkörper genutzt. Verfahrensbedingt tritt bereits bei der Vorformherstellung eine ungewollte Blechdickenabnahme auf. Um diese Blechdickenabnahme zu minimieren, wurde anhand numerischer Methoden das Verfahren des Rotationsschwenkbiegens an der Professur Virtuelle Fertigungstechnik der TU Chemnitz entwickelt. Das Prinzip dieses inkrementellen Umformprozesses basiert auf einer Verfahrenskombination des konventionellen Drückens und des Schwenkbiegens, mit dem Ziel der faltenfreien Herstellung von Hohlbauteilen bei gleichzeitiger minimaler Blechausdünnung. Die als Halbzeug verwendete Ronde wird zu Beginn des Prozesses auf eine formgebende Matrize gespannt und in Rotation versetzt. Durch die Schwenkbewegung eines zylindrischen Umformwerkzeuges wird das ebene Blech an die Kontur der Matrize angelegt, wobei keine Relativbewegung zwischen Blech und Werkzeug stattfindet. Demzufolge entstehen minimale Zugspannungen in der Blechebene und die Blechausdünnung wird deutlich verringert. Durch die Durchmesserreduzierung bilden sich jedoch ebenso tangentiale Druckspannungen aus, welche zu einer ungewollten Faltenbildung führen können. Im Rahmen des Vortrages werden anhand von FEM-Simulationen Möglichkeiten vorgestellt, um diese Druckspannungen zu reduzieren oder gezielt zur Vorformherstellung für profilierte Hohlbauteile zu nutzen.

Um die wirtschaftliche Relevanz und die Flexibilität des Formdrückens zu erweitern, ist ein Maschinen- und Steuerungskonzept entwickelt worden, dass auch die Herstellung von nichtrotationssymmetrischen Bauteilen erlaubt. Neben experimentellen Untersuchungen zur Verfahrensentwicklung wurde ebenfalls eine numerische Verfahrensoptimierung des neu entwickelten Prozesses „Unrunddrücken“ durchgeführt, um unrunde Bauteile falten- und rissfrei sowie mit geringer Blechdickenreduktion herstellen zu können. In ersten experimentellen Untersuchungen wurden die technologischen Haupteinflussgrößen auf die Versagensformen Falten- und Rissbildung sowie die Blechausdünung ermittelt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen ist ein kalibriertes Simulationsmodell erarbeitet worden, mit dem es möglich ist, das Prozessverständnis zu erhöhen und somit die Versagensfälle ganzheitlich über den Prozess zu betrachten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden genutzt, um Optimierungsmaßnahmen für das Unrunddrücken abzuleiten. Es konnte experimentell nachgewiesen werden, dass sowohl die Falten- und Rissbildung als auch die Blechdickenreduktion durch die Optimierungsmaßnahmen deutlich reduziert werden können. Das in der vorliegenden Arbeit entwickelte Verfahren des Unrunddrückens stellt einen effizienten, kostengünstigen und vor allem flexiblen Fertigungsprozess für die Herstellung von nichtrotationssymmetrischen Bauteilen mit nahezu konstantem Blechdickenverlauf dar.