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Think Big – große, aber dennoch splicefreie FML- Strukturen dank „Friction Stir Welding“
M. Besel(*), F. Landgraf(**), U. Alfaro Mercado, U. Dreßler
(**) Aleris Rolled Products Germany GmbH Innovation Center Aachen
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 1
Hybrides Werkstoffsystem
Vereinigung von zwei Werkstoffklassen zu einem Strukturwerkstoff Vorteile • Hoher Widerstand gegen Risse und Rissausbreitung • Hoher Widerstand gegen Impact-Belastung • „Verbessertes Korrosionsverhalten“ • Gewichtseinsparung im Bereich 10…20 %
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 2
Faser-Metall-Laminate – was und warum?
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 3
Faser-Metall-Laminate – wie?
1. Vorbereitung der Bleche: Abwickeln, Schneiden, …
2. Anodisierung & (Bond) Primer
3. FML-Aufbau in 2D/3D-Form (manuell)
4. Autoklav
5. Zerstörungsfreie Prüfung: Ultraschall
6. Weitere Bearbeitungsschritte…
Bilder: Airbus 2005
Aber: Breite Al-Coil << Flugzeug
b
Herausforderung
• Limitierte Breite der „Aluminiumfolien“: bis ca. 1,6 m << Flugzeug
• Realisierung größerer FML-Strukturen bisher mittels Splice
Einfacher Ansatz „Wir brauchen breitere Folien!“ „Aber wie?“
„Mit FSW!“
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 4
Splice – was und warum?
„Splicefrei dank FSW?“
Konventioneller Splice
Bild: Airbus
1. Was ist Friction Stir Welding?
2. Funktioniert der FSW-Prozess auch bei Folien?
3. Aber ist der Prozess auch robust?
4. Wie gut sind denn FML mit FSW-Folien?
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 5
Nur noch folgende Fragen…
• FSW: Festphasenfügeverfahren (TWI, 1991) • Zylindrisches Werkzeug (Schulter, Pin) • Drehzahl, Vorschub, Anpresskraft, Anstellwinkel
• Für dünne Bleche / Folien (hier: 0,4 mm): Werkzeug ohne Pin
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 6
Was ist Friction Stir Welding?
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 7
Funktioniert der FSW Prozess auch bei Folien? Beispiel: AA2024-T3 und AA5024-H116 (weitere Details hierzu folgen in der Dissertation von Hr. Landgraf)
Mikrostruktur
• Charakteristische FSW-Mikrostruktur auch bei Folien (Tool ohne Pin)
• Defektfreie Verbindungen
Mechanische Eigenschaften • Fließgrenze ≈ 100 %
• Festigkeit ≥ 90%
• Bruchdehnung ≈ 8…17%
FSW von dünnen Folien „ähnlich gut“ wie FSW dickerer Bleche!
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 8
Aber ist der FSW Prozess auch robust? Beispiel: AA2024-T3 und AA5024-H116 (weitere Details zum DoE folgen in der Dissertation von Hr. Landgraf)
Härteprofile am Beispiel 2024
• Variation des Vorschubs von 100…500 mm/min: Qualitativ gleicher Verlauf
• Quantitative unterschiede im Bereich 300…500 mm/min sehr gering
Festigkeit • 2024 FSW-Index immer ≥ 88 % • 5024 FSW-Index meist ≥ 77 %
Sehr robuster FSW-Prozess für 2024! Robuster FSW-Prozess für 5024!
1. Was ist Friction Stir Welding?
2. Funktioniert der FSW-Prozess auch bei Folien?
3. Aber ist der Prozess auch robust?
4. Wie gut sind den FML mit FSW-Folien?
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 9
Die entscheidende Frage?
4. Wie gut sind den FML mit FSW-Folien?
Zugversuche • Einfluss der FSW-Naht auf Dehnungsfeld?
• Wo versagt die Probe?
• Festigkeit?
• Deformationsvermögen der Probe?
ARAMIS zur optischen „Dehnungsmessung“
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 10
Her mit den Laminaten! Was kann ein 3/2-FML mit FSW-Folien?
Aufbau bei PAG
• Aufbau: 3/2 Metall/GFRP
• Metall: 0,4 mm, AA2024-T3, AA5024-H116
• GFPR: S2 Glass Fibre, Epoxydharzmatrix (FM94) Faserrichtung 0°/90°, t = 0,266 mm
Sechs Varianten
1) FML „ungestört“
2) FML mit FSW-Naht in mittlerer Blechlage
3) FML mit „einfachem“ Splice
4) FML mit drei FSW-Nähten „übereinander“
5) FML mit drei FSW-Nähten „diagonal“
6) FML mit drei FSW-Nähten „verteilt“
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 11
Deformationsverhalten und Festigkeit Was kann ein 3/2-FML mit einer FSW-Folie? (weitere Details hierzu folgen in der Dissertation von Hr. Landgraf)
FML mit AA2024-Folien
Gute Ausnutzung des Deformations-vermögens bei hoher Festigkeit:
R“splice“ < RFSW < RGM
FML mit AA5024-Folien
Gute Ausnutzung des Deformations-vermögens bei hoher Festigkeit:
R“splice“ < RFSW < RGM
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 12
Her mit den Laminaten! Was kann ein 3/2-FML mit FSW-Folien?
Aufbau bei PAG
• Aufbau: 3/2 Metall/GFRP
• Metall: 0,4 mm, AA2024-T3, AA5024-H116
• GFPR: S2 Glass Fibre, Epoxydharzmatrix (FM94) Faserrichtung 0°/90°, t = 0,266 mm
Sechs Varianten
1) FML „ungestört“
2) FML mit FSW-Naht in mittlerer Blechlage
3) FML mit „einfachem“ Splice
4) FML mit drei FSW-Nähten „übereinander“
5) FML mit drei FSW-Nähten „diagonal“
6) FML mit drei FSW-Nähten „verteilt“
Metall: EN-AW 2024
Glasfaserverstärktes Epoxid
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 13
Deformationsverhalten und Festigkeit Was kann ein 3/2 FML mit drei FSW-Folie?
Zwischenfazit
• Bei allen drei Varianten: Versagen jeweils im Nahtbereich bei zuvor ausgeprägter plastischer Dehnung auch außerhalb der Nahtbereiche
• Varianten „Diagonal“ und „Verteilt“: höchstes Gesamtdehnungsvermögen bei höchster Festigkeit
Gute Ausnutzung des Deformationsvermögens mit Dehnungen bis ca. 4,5 %
Vergleich mit „realem Splice“?
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 14
Deformationsverhalten und Festigkeit Was kann ein 3/2 FML mit drei FSW-Folie?
Festigkeiten ≈ 100 %
Fazit
• FML mit FSW-Folien zeigen gutes / leicht höheres Deformationsvermögen als ein einzelner „realer Splice“
• Festigkeiten mit drei FSW-Folien im Prüfbereich ≈ 100 % der Festigkeit mit einem einzelnen Splice
Hinsichtlich statischer Festigkeit und Deformationsvermögen sind die splicefreien FML mit FSW-Folien in den hier untersuchten Fällen absolut gleichwertig zu FML mit (einem) Splice!
1. Was ist Friction Stir Welding?
2. Funktioniert der FSW-Prozess auch bei Folien?
3. Aber ist der Prozess auch robust?
4. Wie gut sind den FML mit FSW-Folien?
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 15
Die letzte Frage für heute?
4. Wie gut sind den FML mit FSW-Folien?
Zugversuche • Einfluss der FSW-Naht auf Dehnungsfeld?
• Wo versagt die Probe?
• Wie ist die Festigkeit?
• Deformationsvermögen der Probe?
()
5. Wie könnte ein Herstellungsprozess mit FSW aussehen?
„Erster Denkanstoß“ für neue Prozesskette
1. Vorbereitung der Bleche: Abwickeln, Schneiden, …
2. Anodisierung & (Bond) Primer
3. FML-Aufbau in 2D/3D-Form (manuell)
4. Autoklav
5. Zerstörungsfreie Prüfung: Ultraschall
6. Weitere Bearbeitungsschritte…
Gesteigertes Automatisierungspotential für FML-Aufbau
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 16
Faser-Metall-Laminate mit FSW
Bilder: Airbus 2005
Aber: Breite Al-Coil << Flugzeug
b www.cleanlaser.de
+ FSW
Laser → Vortrag Dr. Haubrich et al. ab 15:10 Uhr
?
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 17
Zusammenfassung & Ausblick
• Splicefreie FML sind möglich dank FSW!
• Hohe Festigkeit & Deformationspotential
• Gesteigertes Automatisierungspotential
• Zerstörungsfreie Prüfung mittels Ultraschall
• Untersuchung des Ermüdungsverhaltens
• Optimierung der FSW-Naht hinsichtlich Oberflächenqualität
Vielen Dank an das BMWi für die Förderung der Arbeiten im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms.
• HERMET 20W0807B • HERMO 20W0909C • MTEXT 20W1111B
Vielen Dank an die Projektpartner, insbesondere
• Airbus • Premium Aerotec
Vielen Dank an die Kolleginnen und Kollegen der Werkstoff-Forschung H. Sauer, E. Dietrich, U. Fuchs, D. Lütz, J. Wischek, K. Kelm, P. Watermeyer, J. Schwinn und viele andere mehr
> Think Big… > Besel, Landgraf, Alfaro Mercado, Dreßler • 02.12.2014 DLR.de • Folie 18
Danksagung