Hybridhalbzeuge können in der Produktion Material und Kosten sparen, wenn nur genau die Bereiche eines Bauteils aus einem hochpreisigen Werkstoff gefertigt werden, die im späteren Einsatz hohen Anforderungen ausgesetzt sind und daher beispielsweise besonders verschleißbeständig sein müssen. Der Sonderforschungsbereich SFB 1153 „Tailored Forming“ entwickelt eine neuartige Prozesskette zur Herstellung von belastungsangepassten hybriden Massivbauteilen, in der die Halbzeuge erst gefügt und dann umgeformt werden. Das LZH forscht hierzu an zwei laserbasierten Verfahren.
Umformbare Halbzeuge, hergestellt durch US-Laserstrahlschweißen
Rissfrei umformbare Halbzeuge konnte die Gruppe Fügen und Trennen von Metallen mit einem ultraschallunterstützten Laserstrahlschweißprozess herstellen. Die Wissenschaftler:innen haben Wellen aus verschiedenen Mischverbindungen wie Stahl-Stahl oder Stahl-Nickel verschweißt und entsprechende Prozesse entwickelt. Im Fokus stand dabei die Frage, wie sich Risse vermeiden lassen und welche Parameter im Schweißprozess welchen Einfluss auf Qualitätsmerkmale wie Einschweißtiefe oder Nahtüberhöhung haben.
In der 3. Förderperiode des Sonderforschungsbereichs möchte die Gruppe durch Modulation der Laserleistung für mehr Prozessstabilität sorgen und eine Prozessregelung entwickeln. Mit dieser Regelung soll eine reproduzierbare, verlässliche Qualität bei der Erzeugung der Halbzeuge erreicht werden. Ein weiterer Schwerpunkt sind Untersuchungen zur Reduzierung mechanischer Spannungen im Bauteil durch eine Ultraschall-Nachbehandlung.
Innerhalb des Teilprojekts „Ultraschallunterstütztes Laserstrahlschweißen zur Erzeugung umformbarer Mischverbindungen“ haben die Forscher:innen dabei eng mit Kolleg:innen des Instituts für Dynamik und Schwingungen (IDS) zusammengearbeitet, die sich mit der Erzeugung des Ultraschalls und der Auswertung der Messdaten befasst haben.
Laserauftragschweißen berücksichtigt lokale Belastung bei Bauteilen
Die Gruppe Maschinen und Steuerungen forscht weiter an neuartigen Bauteilen mit lokalen, belastungsangepassten Eigenschaftsprofilen. Die Wissenschaftler:innen haben dazu mittels Laser-Heißdraht-Auftragschweißen hochfeste Werkstoffe als Beschichtungen gezielt auf im Betrieb stark belastete Bauteilbereiche aufgebracht. Zahnflanken von Zahnrädern sind nur eine beispielhafte Anwendung. So konnten qualitativ hochwertige und harte Beschichtungen aufgetragen und die Eigenschaften der Beschichtung durch die Werkstoffauswahl gezielt verbessert werden. Es ist den Forscher:innen zudem unter anderem gelungen, Beschichtungen aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 herzustellen, welcher aufgrund des hohen Kohlenstoffanteils als nicht schweißbar eingestuft wird.
Im nächsten Schritt möchte die Gruppe eine Prozessüberwachung für die Qualitätssicherung beim Auftragschweißen entwickeln. Hierzu soll die im Schweißprozess entstehende Sekundärstrahlung mit einer speziellen Sensorik gemessen und mit Methoden des maschinellen Lernens analysiert werden, um eine Vorhersage der Beschichtungseigenschaften ableiten zu können. Das Ziel: Eine zerstörungsfreie Qualitätskontrolle der Beschichtungen direkt während des Prozesses.
Als weiteres Verfahren neben dem Laserauftragschweißen wurde im SFB-Teilprojekt „Lokale Anpassung von Werkstoffeigenschaften an Umformrohlingen durch Auftragschweißen zur Erzeugung gradierter hybrider Bauteile“ das Plasma-Pulver-Auftragschweißen untersucht, mit dem sich das Institut für Werkstoffkunde (IW) befasst hat.
Über den SFB
Die Arbeiten des LZH sind Teil des Sonderforschungsbereichs SFB 1153 „Prozesskette zur Herstellung hybrider Hochleistungsbauteile durch Tailored Forming“, in dem Expert:innen aus neun Instituten der Fakultät für Maschinenbau der Leibniz Universität Hannover, aus dem LZH und dem IPH – Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH daran arbeiten, neue Prozessketten zur Herstellung hybrider Bauteile zu entwickeln.
Der SFB hat im Juli 2015 die Arbeit aufgenommen. Die 3. Förderperiode läuft über 4 Jahre und begann im Juli 2023. Er wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unter dem Förderkennzeichen 252662854 gefördert.
Mehr Informationen zum Sonderforschungsbereich 1153 gibt es auf den Seiten der Leibniz Universität Hannover.
