Labor Werkstoff- und Fügetechnik (LFW)

Betriebsfestigkeit

Die Betriebsfestigkeit als Teilbereich der Werkstoffkunde beschäftigt sich mit dem Verformungs- und Versagensverhalten von Werkstoffen unter zyklischer Beanspruchung. Bauteile sind im Wesentlichen einer zyklischer Beanspruchung ausgesetzt. Da die ertragbare Belastung unter zyklischer Beanspruchung wesentlich geringer ist erfordert dies Prüfungen zur Betriebsfesten Auslegung. Ein zentrales Diagramm ist die Wöhler-Kurve. In dieser wird die ertragbare Amplitude einer Belastung über ihrer zyklisch wiederkehrenden Anzahl dargestellt.

Bruchmechanik

Das Versagen durch Bruch führt

  • Statische und dynamische Bruchmechanik zur Bestimmung der Bruchzähigkeit, des Schwellenwerts und Parameter für Rissfortschrittkurve
  • Resonanzprüfmaschinen mit Rissfortschrittsmessung
Experimentelle Beanspruchungsanalyse
  • Experimentelle Ermittlung der Bauteilbeanspruchung während des Betriebes
  • Stationäre und mobile Messtechnik für Dehnmessstreifen, Kraft, Verformung, Temperatur, Druck und Beschleunigung
  • Eigenspannungsmessung (Bohrlochmethode)
Fügetechnik

Das Labor für Werkstoff- und Fügetechnik (LFW) ist das Kompetenzzentrum der Hochschule Esslingen für Fügetechnik. Dank der Industrienähe verfügt das Labor LFW über neuste Prozess- und Prüftechnik die sowohl für Forschung als auch für Lehre zur Anwendung kommt. Die Palette der Prozesstechnik reicht dabei von einfachen Handgeräten bis hin zu stationären und robotergeführten Anlagen. Es verfügt über ein Laserbearbeitungszentrum TruLaser Cell 3000, sowie Einrichtungen für das Lichtbogenschweißen (MIG, MAG, WIG), Widerstandspunktschweißen, Lichtbogenbolzenschweißen, Löten und Kleben, sowie die mechanischen Fügeverfahren Clinchen und Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen (ImpAcT, Rivtac ®).
Dank der vorhandenen Messtechnik ist es möglich die Verfahren in ihrem Prozessablauf detailliert zu untersuchen (Videoanalyse bis zu 125.000 Bilder/s, Thermographie, thermische, mechanische und elektrische Prozessgrößen). Darüber hinaus besteht im Labor die Möglichkeit zur Oberflächenanalytik durch Messung von Übergangswiderständen.
Im Rahmen der studentischen Ausbildung, wissenschaftlichen Forschungsarbeiten und des Technologietransfers werden die vorhandenen Verfahren der mechanisch-technologischen Prüfung, der zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) und der numerischen Simulation (FEM) in Korrelation mit den gewonnenen Prozessdaten zur Beurteilung der Fügeeignung, der Verfahrensentwicklung und zur Qualitätssicherung in der Produktion genutzt.

Zerstörungsfreie Prüfung ZfP

Die Bewertung von Bauteilen mittels zerstörungsfreier Prüfungen hat einen entscheidenden Vorteil. Sie ist zerstörungsfrei! Das bedeutet dass Bauteile nach einer Prüfung weiter verwendet werden können bzw. ermöglicht erst eine 100% Prüfung in der Produktion. Neben Forschungsthemen im Bereich der aktiven Thermografie werden in Laborversuchen die Grundlagen vermittelt. Dabei werden die Stärken und Schwächen unterschiedlicher Verfahren beleuchtet und in der Anwendung weiter vermittelt. Die Studenten sind anschließend in der Lage zwischen verschiedenen Wirkmechanismen zu unterscheiden und das geeignete Verfahren zu wählen. Das Labor verfügt über penetrative, magnetische, induktive, elektrische, potential, thermische und schall- Verfahren.

Experimenteller und rechnerischer Betriebsfestigkeitsnachweis

Im Labor „Experimenteller und rechnerischer Betriebsfestigkeitsnachweis“ zur Vorlesung „Bauteilsicherheit und ‐zuverlässigkeit führen Sie mit einem instrumentierten Rennrad (DMS an Gabel, Lenker, Sattel) mehrere Messfahrten durchführen. Dabei werden die Belastungen während dem Betrieb des Fahrrades aufgezeichnet und später mit einer Messsoftware analysiert. Mithilfe der gewonnen Erkenntnisse sind sie dann in der Lage eine Aussage über die Lebens- bzw. Gebrauchsdauer des Fahrrades zu machen.

Computational Life Time Assessment

In the modern world of engineering fatigue is a crucial factor, and therefore also the ability of its prediction. Although the experimental approach is commonly used, the more cost efficient approach of computational assessment is often used as part of a holistic solution.
Using the software “winLIFE” and the theories of “Nominal Stress Concept” and “Local Strain Concept” the life time of a steering link subjected to a dynamic load will be assessed. Different geometries of the link, as well as, different loading spectrums will be considered and optimized.

Component flow curve

A flow curve characterizes the mechanical behavior of a material. That is the relation between the applied load and the resultant deformation. This characterization defines the properties of a material both in the elastic and plastic areas, as well as, under static and dynamic loads.
In the “Component flow curve” lab we will produce the experimental flow curves of specimens with different geometries, and the relevant theories will be put to the test. For this aim we will apply strain gauges and load the specimens in a tensile machine, both statically and dynamically. The results will be used to determine the relevant properties of the material and to estimate the life-time of the tested component.

Fertigungstechnik

Im Rahmen der Laborversuche wird aufgrund der großen Teilnehmerzahl der Schwerpunkt auf die Vermittlung von werkstoff- und verfahrenstechnischen Grundlagen gelegt, um den Kenntnisstand der Erstsemester anzugleichen. Die Inhalte der Versuche dienen dem grundsätzlichen Verständnis der Fertigungstechnik dienen.

Fügetechnik

Fügetechnik ist die Lehre über das Verbinden von mindesten zwei Fügepartnern. Im Labor Werkstoff- und Fügetechnik (LFW) liegt der Fokus auf dem Fügen von metallischen Bauteilen. Die Laborübung geht auf die Grundlagen der form-, kraft- und stoffschlüssigen Verfahren ein. Anhand einer Auswahl von punkt- und nahtförmigen Fügeverbindungen werden den Studierenden - über die Grundlagen hinaus gehend - Anwendungen im Bereich der Fahrzeugtechnik, des Maschinenbaus sowie der Feinwerktechnik und Elektrotechnik vorgeführt und deren technischen Möglichkeiten aufgezeigt.

Gefügeumwandlung beim Lichtbogenschweißen

Der Wärmeeintrag beim Schweißen führt im Bereich der Fügestelle zu einer lokal begrenzten Wärmeeinflusszone (WEZ) und einer daraus resultierenden Gefügeumwandlung (Wärmebehandlung der Bauteile). Solche Veränderungen im Gefüge sind meist unerwünscht, da sie u.a. die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Bauteils nachhaltig verändern. Der Laborversuch zeigt zum einen die Auswirkungen auf das Bauteil auf und geht auf geeignete Verfahrensparameter zur Verbesserung der Qualität der Fügeverbindung ein. Zur Abschätzung der Abkühlzeiten (t8/5-Konzept) für zwei- und dreidimensionale Wärmeleitung und der daraus resultierenden Gefügeumwandlungen werden geeignete  Berechnungs-verfahren vorgestellt.

Zerstörungsfreie Prüfung ZfP

Aufgabe der ZfP ist es Bauteile auf Schäden und Unregelmäßigkeiten hin zu prüfen ohne diese zusätzlich zu beschädigen. Die ZfP reicht dabei von der einfachen Sichtprüfung bis hin zu technisch anspruchsvollen Prüfungen wie Röntgen. Anwendung findet diese in der Fertigung um zum Beispiel die Maßhaltigkeit von Bauteilen zu prüfen, also hat die M10 Schraube wirklich einen Durchmesser von 10 mm, oder zur Schadensanalyse. Bei der Schadenanalyse wird geprüft was zum Versagen des Bauteils geführt hat.
In der Laborübung werden ein Verfahren der Durchstrahlungsprüfung, ein Verfahren der Magnetflussprüfung und ein Verfahren der Sichtprüfung von den Studenten eigenständig durchgeführt. Dabei lernen die Studenten welche möglichen Fehler in der Anwendung gemacht werden können und wo die Möglichkeiten und Grenzen der Verfahren liegen. Im Anschluss an die Laborübung ist es dann die Aufgabe die detektierten Fehler auf eine mögliche Schadensursache zurückzuführen.

Mechanische Fügeeinrichtungen
Handschweißgeräte
Roboterschweißeinrichtungen
Statische Festigkeitsprüfung
Schwingfestigkeit
Übergangswiderstandsprüfung
Highspeevideodanalyse
Thermografieanalyse
Zerstörungsfreie Prüfung
Workstation zur Simulation

    Forschungsprojekt: Aktive Thermografie zur Inlinedetektion von Oberflächennahen Fehlern

    Das Ziel der 0-Fehler Herstellung von Halbzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Bei der Inlinedetektion von Oberflächennahen Fehlern gibt es jedoch noch Defizite. Die im Labor erzielten Ergebnisse konnten bisher nicht in die Produktion überführt werden. Diese ist allerdings die Grundlage für die Prozesssteuerung und im Weiteren der Vermeidung von Oberflächennahen Fehlern. Daher wird an der Hochschule Esslingen, deren Kernkompetenz in der angewandten Forschung liegt, an Lösungen geforscht. Der Fokus liegt auf der Anwendbarkeit in der Produktion.

    Forschungsprojekt: Einfluss der Kantenbearbeitung auf das Schwingfestigkeitsverhalten von hochfestem Stahlfeinblech

    Experimentelle Ermittlung des Einflusses des Kantenzustands auf das Festigkeitsverhalten unter schwingender Belastung von Stahlfeinblechen in Abhängigkeit der Kantenbearbeitung, des Werkstoffs, der Beanspruchungsart und des Spannungsgradienten. Die Kantenherstellung erfolgt durch Fräsen bzw. Fräsen und Polieren, Laserstrahlschneiden und Scherschneiden mit verschiedenen Prozessparametern. Zur Ermittlung des Werkstoffeinflusses werden Versuche an den höchstfesten Stahlgüten DP1000 und CP1000 durchgeführt. Zur Übertragbarkeit werden ergänzend Versuche unter mittelspannungsbehafteter Beanspruchung durchgeführt.
    Für den höchstfesten preßgehärteten Stahl 22MnB5 soll die Prozessreihenfolge beim Laserschneiden hinsichtlich des Einflusses auf das Schwingfestigkeitsverhalten optimiert werden.

    Forschungsprojekt: Neue in-situ polymerisierbare Einkomponenten-Matrixsysteme zur Steigerung der Produktivität im hybriden Leichtbau ("FAST-Matrix")

    Verbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix besitzen hohe Zähigkeiten und zeigen in Kombination mit textilen Verstärkungen ein gutes Crashverhalten. Untersucht werden sollen neu entwickelte Einkomponenten-Matrixsysteme aus in-situ polymerisierbaren Vorstufen. Diese Polymervorstufen haben den Vorteil, dass sie mit sehr niedriger Viskosität in das Fasermaterial (Carbonfasern) eingebracht werden können (z.B. über RTM-Verfahren) und dann in sehr kurzer Zeit thermisch induziert zum thermoplastischen Matrixpolymer (z.B. Polyamid 6) aushärten. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur Prozess- und Kostenoptimierung, vor allem im Bereich hybrider Leichtbau. Im Projekt sollen CFK-Modellkörper mit den neuen Matrixpolymeren hergestellt und auf ihre mechanischen Eigenschaften geprüft werden.

    Forschungsprojekt: RTM CAE/CAx-Aufbau einer durchgängigen CAE/CAx-Kette für das RTM-Verfahren vor dem Hintergrund der Herstellung von Hochleistungsverbundwerkstoffen

    Hochleistungsverbundwerkstoffe bekommen vor dem Hintergrund des Leichtbaus eine zunehmende Bedeutung als Leichtbauwerkstoffe. Übergeordnetes Ziel des Forschungsvorhabens ist die Schaffung einer durchgängigen numerischen Modellierung der kompletten Prozesskette von der Faserherstellung bis hin zum fertigen Bauteil.  Aufgabe der Hochschule Esslingen ist die Ermittlung von Werkstoffkennwerten unter quasistatischer und unter zeitlich veränderlicher Beanspruchung für die Materialmodelle in der Simulationsumgebung sowie die Klärung der Schädigungsmechanismen und des Schädigungsverlaufs.

    Forschungsprojekt: Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen (Nageln) in der Elektrotechnik - Untersuchung zum Einfluss der Bauteilsteifigkeit auf den Prozessablauf und die Qualität der Fügeverbindung

    Das Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen ist eine neuartige Technologie, die aktuell zum Fügen von Stahl- und Aluminium- Blechen verwendet wird. Hierzu wird ein nagelähnliches Fügeelement beschleunigt und in Bleche eigetrieben. Ziel des BMBF-Verbundprojektes ist es, die möglichen Anwendungen für den Werkstoff Kupfer zu untersuchen. Dabei soll aufgezeigt werden, ob sich bei ausreichend hohen örtlichen Umformgraden neben Pressverbindungen (Form- und Kraftschluss) auch stoffschlüssige Kaltpressschweißverbindungen an Kupferwerkstoffen erwarten lassen.

    Online bewerben für das Wintersemester 2019/20!

    Ab dem 15. April 2019 läuft die Bewerbungsphase

    Jetzt informieren