Die steigende Bedeutung des Leichtbaus in der modernen Fahrzeugtechnik stellt stetig neue technologische Herausforderungen an die Hersteller. Dabei rückt die Entwicklung neuer energetisch effizienter Herstellungsverfahren sowie geeigneter Werkstoffe immer weiter in den Vordergrund. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines zukunftsorientierten kombinierten Gieß-Umformverfahrens zur Herstellung hochfester Aluminiumbauteile, z.B. für die Automobilindustrie, vorangetrieben. Die Anwendung aushärtbarer Aluminiumlegierungen, insbesondere mit höheren Siliziumgehalten, wird betrachtet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Ermittlung und Begründung günstiger Prozessbedingungen für einzelne Prozessschritte von Aluminiumbauteilen (Gießen, Umformen, Warm-, bzw. Kaltauslagern) im Zusammenhang mit dem Siliziumgehalt der Legierung. Die Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf die Verhältnisse des kombinierten Gieß-Umformverfahrens in einen industrienahen Maß-stab stellte ein weiteres Ziel der Arbeit dar.

Gegenstand dieser Arbeit sind die Erweiterung des Standes der Technik um Verfahren zur Herstellung und die Charakterisierung mit Paraffinen infiltrierter geschlossenporiger Aluminiumschäume. Die Einzelwerkstoffe werden hinsichtlich ihres strukturellen, mechanischen und thermischen Verhaltens anhand ausgewählter Tests wie der computertomografischen Analyse, dem Druckversuch und dem „Transient-Plane-Source“-Verfahren charakterisiert. Dem schließt sich die Entwicklung von Infiltrationsmethoden zur Herstellung von Werkstoffverbunden aus den Einzelwerkstoffen an. Der Infiltrationsgrad wird als wesentlicher zugehöriger Berechnungs- und Auswertungskennwert analytisch beschrieben. Anhand infiltrationsgerecht gefertigter Aluminiumschaumproben erfolgt die experimentelle Untersuchung verschiedener Infiltrationsverfahren auf Basis statistischer Versuchspläne und deren Gegenüberstellung. Im Anschluss an die Charakterisierung der Verbunde und der Modellierung betrachteter Zielgrößen mittels Regressionsmodellen erfolgt der Vergleich der Verbundeigenschaften mit denen der Einzelwerkstoffe. Nach analytischen Berechnungen zur Auslegung von Latentwärmespeicher-Systemen folgt die Dimensionierung mittels Finite-Elemente-Methode. Die Modellierung auf Basis eines homogenisierten Materialverhaltens wird anhand von Experimenten validiert. Abschließend werden anhand der generierten Werkstoff-Datenbasis Aussagen über das Nutzungspotential für ausgewählte Anwendungen abgeleitet.:Danksagung Bibliografische Beschreibung Abbildungsverzeichnis 5 Tabellenverzeichnis 11 Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 13 1 Einleitung und Motivation 17 2 Stand der Technik 19 2.1 Aluminiumschaum 19 2.1.1 Einteilung 19 2.1.2 Herstellung 20 2.1.3 Strukturelle Eigenschaften 25 2.1.4 Mechanische Eigenschaften 27 2.1.5 Thermische Eigenschaften 30 2.1.6 Schaummodelle 35 2.1.7 Sandwichstrukturen 36 2.1.8 Anwendungen 39 2.2 Phase-Change-Material 41 2.2.1 Wirkprinzip und Einteilung 41 2.2.2 Herstellung 43 2.2.3 Eigenschaften 44 2.2.4 Konfektionierung 46 2.2.5 Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit 48 2.2.6 Anwendungen 53 2.3 Thermische Grundlagen 56 2.3.1 Grundlagen der Wärmeübertragung 56 2.3.2 Grundlagen der dynamischen Differenzkalorimetrie zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität und Enthalpie 58 2.3.3 Messverfahren zur Bestimmung der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit 58 3 Zielstellung und Präzisierung der Aufgabenstellung 63 4 Infiltrationstechnologie 65 4.1 Grundlagenbetrachtungen zur Infiltration 65 4.1.1 Infiltrierbarkeit geschlossenporiger Aluminiumschäume 65 4.1.2 Verteilung des PCM innerhalb der Probe 65 4.2 Konzeptentwicklung für Infiltrationsverfahren 68 4.2.1 Konzepte PCM-Tauchinfiltration 68 4.2.2 Konzepte PCM-Vakuuminfiltration ohne Werkzeug 69 4.2.3 Konzepte PCM-Vakuuminfiltration mit Werkzeug 70 4.3 Fertigung und Modifikation von Aluminiumschaumproben 71 4.3.1 Herstellungsprozess von Aluminiumschaumhalbzeugen 73 4.3.2 Probenabdichtung 73 4.3.3 Infusions- und Injektionsanschlüsse 74 4.4 Berechnung des Infiltrationsgrads 75 4.5 Infiltrationsversuche 77 4.5.1 PCM-Tauchinfiltration 77 4.5.2 PCM-Vakuum-Infiltration ohne Werkzeug 79 4.5.3 PCM Vakuum-Infiltration mit Werkzeug 83 5 Messtechnische Untersuchungen 89 5.1 Strukturelle Charakterisierung 89 5.1.1 Dichte und Porenstruktur 89 5.1.2 Dichteverteilung 92 5.1.3 Ebenheit 95 5.1.4 Permeabilität 96 5.2 Thermische Charakterisierung 98 5.2.1 Wärmeleitung 98 5.2.2 Wärmekapazität 105 5.2.3 Zersetzungstemperaturen 109 5.2.4 Zyklenbeständigkeit 109 5.2.5 Experimente auf Bauteilebene 112 5.3 Mechanische Charakterisierung 116 5.3.1 Druckversuche 116 5.3.2 Kopfzugversuche 120 5.3.3 Schubversuche 123 5.3.4 Intrusionsversuche - Impaktverhalten 124 5.3.5 4-Punkt-Biegeversuche 126 5.3.6 Akustische Charakterisierung 128 6 Berechnung und Simulation 131 6.1 Thermische Dimensionierung und Validierung mittels FEM 131 6.1.1 Auslegung der Latentwärmespeicher-Systeme 131 6.1.2 Berechnung der Verbundeigenschaften 132 6.1.3 Implementierung der Verbundeigenschaften in die FEM-Umgebung 134 6.1.4 Validierung der thermischen Charakterisierung 137 6.2 Mechanische Dimensionierung und FEM-Validierung 140 6.2.1 Implementierung in die FEM-Umgebung 140 6.2.2 Validierung mechanischer Charakterisierung 142 7 Auswertung und Diskussion 147 7.1 Auswertung der Infiltrationstechnologie 147 7.2 Vergleich der thermischen Eigenschaften mit Literaturdaten 150 7.3 Vergleich der mechanischen Eigenschaften mit Literaturdaten 154 7.4 Evaluierung des Anwendungspotentials 156 8 Zusammenfassung 166 9 Ausblick 170 10 Literaturverzeichnis 172 Anmerkungen 186 Anhang 188

Wissenschaftliche Schriftenreihe der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung / Scientific publication series of the Department of Lightweight Structures and Polymer Technology

Motivation - Komplexe Anforderungen an die Karosserie - Unbekannte Auswirkungen von Parametervariationen in der frühen Phase - Informationsdefizit führt zu Iterationsschleifen Ziel Beurteilung der Auswirkung von Parametervariationen von Werkstoffen, Produktionsverfahren, Geometrien auf die Karosserie-Eigenschaften

In der vorliegenden Arbeit wird ein Überblick über aktuelle Entwicklungen beim Einsatz von Leichtmetallen im Leichtbau gegeben und dabei vor allem die Bedeutung der Werkstoffe Aluminium, Magnesium und Titan herausgestrichen. Dabei wird ersichtlich, welche Bedeutung Guss- und Knetlegierungen im Einzelnen zukommt und wie sich durch neue Erkenntnisse bei der Werkstoffbehandlung neue Strategien für Konstruktion und Fertigung ergeben. Eine sehr wesentliche Rolle für die optimale Nutzung der Werkstoffeigenschaften spielen die Fügeverfahren. Optimierte Werkstoffe mit neuen Eigenschaftsprofilen erfordern angepasste Fügeverfahren, um mit den Fügestellen keine Schwachpunkte in der Konstruktion zu schaffen. Nicht zuletzt soll die Arbeit durch die Zusammenfassung und Gegenüberstellung aktueller Forschungsergebnisse und des Standes von Forschung und Technik zu neuen Ideen im Sinne des Leichtbaus anregen.

Die Verwendung von „klassischen“ Naturfasern als Verstärkungskomponente in Kunststoffbauteilen ist durch ihr besonderes Eigenschaftsspektrum in Kombination mit wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen im gesamten Lebenszyklus begründet. Die Technologien zur Verarbeitung von Naturfasern zu Bauteilen wurden in den vergangenen Jahren kontinuierlich weiterentwickelt, wobei das Hauptaugenmerk auf der Optimierung von Material- und Verfahrensparametern bekannter Technologielösungen lag. Komplexe Anwendungen im Automobilbau erfordern allerdings eine ganzheitliche Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette von der Rohstoffbereitstellung über die Halbzeugfertigung bis hin zur Bauteilentwicklung und -herstellung. In diesem Zusammenhang weisen neuartige Faserverstärkungen aus Ganzpflanzenrohstoffen (GPR) gegenüber den konventionell aufgeschlossenen Naturfasern ein Potenzial für deutlich höhere Material- und Kosteneffizienz auf. Ziel dieser Arbeit ist die Bereitstellung einer werkstoffgerechten Auslegungsstrategie für eine neue durchgängige Prozesskette zur Herstellung von naturfaserverstärkten Bauteilen unter Einsatz von Ganzpflanzenrohstoffen. Am Beispiel der Flachspflanze werden dabei die verketteten Prozessstufen und die zugehörigen Schnittstellen entwickelt, charakterisiert und validiert. Darüber hinaus wird zur Umsetzung von Leichtbauanforderungen der Ansatz verfolgt, funktionale Zusammenhänge zwischen mechanischen Werkstoffkennwerten und lokaler Bauteildichte für eine belastungsgerechte Bauteilauslegung in Leichtbauweise zu erfassen. / The use of „classical“ natural fibres as reinforcing part for plastic components is caused by their particular property range in combination with economical and ecological advantages in the total life cycle. In recent years, technologies for the processing of natural fibres to components were continuously developed, focused on optimising material and process parameters of existing technology solutions. Certainly, complex applications in the automobile industry require an integrated consideration of the total value added chain from material supply to manufacturing of semi-finished products up to component development and production. In this regard novel fibre reinforcements made from whole plant materials possess potential for considerably higher material and cost efficiency compared to conventional natural fibres. The Intention of this work is to provide a material-specific dimensioning strategy for a new integrated process chain to produce natural fibre reinforced components by using raw materials made of the whole plant. Linked process steps and related interfaces were developed, characterised and validated by using the example of a flax plant. Moreover, the approach of realizing lightweight construction requirements is necessary in order to measure functional relations between material parameters and local density for the load-bearing part dimensioning in lightweight structure.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den aktuell bestehenden Herausforderungen der Technologie der additiven Fertigung in Form des selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM). Es soll sich mit den Aspekten des Leichtbaus beim SLM-Verfahren beschäftigt werden. Dies geschieht mit zwei theoretischen Lösungsansätzen zur Gewichtsreduzierung von Bauteilen: 1. der Einsatz von Werkstoffen geringerer Dichte oder von neuen hochfesten Werkstoffen; 2. neue Bauweisen durch neue Konstruktions- und Werkstoffaufbauprinzipien. Praktisch erfolgt der erste Ansatz durch die Entwicklung von Prozessparametern und deren Einfluss auf das Gefüge von - für das SLM-Verfahren - neuen Leichtbauwerkstoffen, den Titanaluminiden (TiAl). Aus der großen Spanne von verschiedenen TiAl-Legierungen wurden für diese Arbeit folgende Vertreter Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 und Ti48Al48Cr2Nb2 aufgrund ihres guten Eigenschaftsspektrums und der unterschiedlichen Erstarrungsvoränge gewählt. Aufgrund der hohen Anzahl von Einflussgrößen sollen verschiedene Ansätze, wie statistische Versuchspläne oder Einzelbahncharakterisierungen, verfolgt werden, um eine effiziente und schnelle Parameteroptimierung zu erzielen. Der zweite Ansatz verfolgt die Herstellung verschiedener Gitterstrukturen aus 1.4404-Stahl (X2CrNiMo 17-12-2). Durch das Fertigen von Gittern mit verschiedenen relativen Dichten, was über eine Variation der Durchmesser der Streben erreicht wird, sowie das mechanische Testen dieser, ist es möglich, eine Datengrundlage für zukünftige Konstruktionen zu erstellen. / This work deals with the currently existing challenges of technology of additive manufacturing in the form of selective laser melting (SLM). The aspects of lightweight construction with the SLM process will be highlighted. This is done with two theoretical approaches to weight reduction of components: 1. the use of materials of lower density or new high-strength materials; 2. new construction methods through new design and material construction principles. In practice, the first approach is performed through the development of process parameters and their influence on the microstructure of - for the SLM-process – a new lightweight material, the titanium aluminide (TiAl). Among the large range of various TiAl alloys the following two representatives Ti38,87Al43,67Nb4,08Mo1,02B0,1 and Ti48Al48Cr2Nb2 were chosen because of their good property spectrum and their different solidification behavior. The second approach pursued the production of various lattice structures made of 1.4404 steel (X2CrNiMo 17-12-2). By fabricating lattices with different relative densities, which is achieved by varying the diameter of the struts, and the mechanical testing of those, it is possible to create a data base for future construction principles.

Das Hauptanliegen des Bundesexellenzclusters MERGE: Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen ist die Verwendung von prozesstauglichen Technologien zur resourceneffizienten Herstellung von Leichtbaustrukturen in Mischbauweise. In der Interactive Domain (IRD): Modelling, Integrative Simulation and Optimization des Cluster of Excellence „MERGE“ werden ganzheitliche und durchgängige Simulationsketten entwickelt, um das Werkstoffverhalten von unterschiedlichen Materialgruppen unter Berücksichtigung prozessbedingter und belastungsspezifischer Restriktionen aufeinander abzustimmen. Die Bauteileigenschaften und Randbedingungen bei der Herstellung der Hybridbauteile hängen dabei, neben den verwendeten Materialkombinationen (Kunststoffe, Faserverbunde, Metalle), in starkem Maße von den zugrundeliegenden Fertigungsprozessen ab. Insbesondere die multikriterielle Optimierung -- von der Herstellung bis zum belasteten Bauteil -- benötigt eine Vielzahl an aufwändigen Simulationen die ein effizientes Datenmanagement sowie verteilten Berechnungsumgebungen erfordern. / The main objective of the Cluster of Excellence “MERGE”: Merge Technologies for Multifunctional Lightweight Structures is the use of process technologies suitable for resource-efficient production of lightweight structures in composite design. In the Interactive Research Domain (IRD): Modelling, Simulation and Optimization of Cluster of Excellence "MERGE" holistic and integrated simulation chains are designed to match the material behavior of different groups of materials under consideration of process-related and load specific restrictions. The component properties and constraints in the production of hybrid components depend in addition to the used material combinations (fiber reinforced plastics and metals) largely on the underlying production process. In particular, the multicriteria optimization - from manufacturing process until the loaded lightweight structure -- requires a large number of complex simulations which require an efficient data management and distributed computing environments.

Diese Dissertation setzt sich mit der Effizienz von Maßnahmen mit Gewichtsauswirkung in der PKW-Entwicklung auseinander. Sie vermittelt eine andere Sichtweise zur Ermittlung und Beurteilung der Effizienz von Maßnahmen. Maßnahmeneffizienz bedeutet heute, bezogen auf die Fahrzeugentwicklung, nicht mehr unbedingt nur die Kosten zu senken, schwere Werkstoffe durch leichtere zu ersetzen oder gesetzte Ziele zu erreichen. Vielmehr geht es darum, durch die Einbeziehung verschiedener Betrachtungsgruppen z. B. Gewicht, Kosten, Emission, Sensitivitäten, Nutzen von Zielerreichungen etc. eine gesamtheitliche Effizienzaussage zu treffen und ggf. die Effizienz verbessernde Handlungen einzuleiten, um dadurch einen deutlichen Fortschritt in der Gesamteffizienz der Maßnahmen zu erreichen. Die entscheidende Zielsetzung dabei ist, die wirkungsintensiven technischen und wirtschaftlichen Eingangsgrößen zu dieser Maßnahme zu erfassen, diese Vielzahl von Größen in thematisierte Module zu ordnen und aus diesen Bewertungsmodulen unter Zuhilfenahme erweiterter Bewertungsmethoden und neuer Ansätze die Einzel- und Gesamteffizienzwerte abzuleiten. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für einen sich anschließenden Iterationsprozess, der einen Beitrag zur Verbesserung der Maßnahmeneffizienz (Qualität) und Nachhaltigkeit im Sinne von Ressourcenverbrauch (Materialeinsatz) sowie Wettbewerbsfähigkeit leistet. Die bestmögliche Effizienz leistet einen Teilbeitrag zur langfristigen Überlebensfähigkeit einer Unternehmung (vgl. Keuper, F. und Brösel, G. (2005), S. 214). / This dissertation deals with the efficiency of measures regarding the impact of weight in passenger car development. It conveys a different perspective concerning the determination and evaluation of the efficiency of measures. The efficiency of measures today regarding vehicle development doesn ́t necessarily mean just lowering costs, replacing heavy materials with lighter ones, or reaching targets. Even more it has to do with making an all inclusive statement about efficiency and where applicable to take action to improve efficiency by the inclusion of groups of influencing factors, for example, weight, cost, emission, sensitivities between input and output variables, benefits of reaching targets, etc., in order to achieve considerable progress in the total efficiency of the measure. The key objective in doing this is to determine extremely effective technical and economic input parameters for this measure, to organize this large number of parameters into topic-based modules and to derive single and total efficiency values from these assessment modules with the help of advanced assessment methods and new approaches. These results form the foundation for a subsequent iteration process which contributes to the improvement of the efficiency of the measure (quality) and sustainability in the sense of consumption of resources (material usage) as well as competitiveness. The best possible efficiency contributes to the long term competitiveness and viability of a company (compare Keuper, F. and Brösel, G. (2005), p 214).

Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Univ., Diss., 2005