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© Fraunhofer IWS
Zimmermann, Frieder: Kriechformen von dünnwandigen Strukturen aus AlMgSc für Flugzeuganwendungen
F. Zimmermann1, A. Jahn1, J. Standfuß1
15. September 2015, Dresden – Werkstoffwoche 2015
Kriechformen von dünnwandigen Strukturen aus AlMgSc für Flugzeuganwendungen
1Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
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Zimmermann, Frieder: Kriechformen von dünnwandigen Strukturen aus AlMgSc für Flugzeuganwendungen
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AGENDA
Motivation
Stand der Technik
Kriechformprozess
Aluminiumlegierung AlMgSc
Umformverhalten von sphärischen Strukturen
Versuchsaufbau
FE-Simulation
Erste Ergebnisse
Zusammenfassung und Ausblick
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Motivation
Optimierung in der Fertigung von großflächigen und dünnwandigen Aluminium-Strukturen
Flügelschalen (z.B. obere Flügelschalen des A330, A340, A380: bereits kriechgeformt (1))
Rumpfschalen
Hinterer Druckschott
Stringer
Spant
Außen- haut
(1)Diego José Inforzatoa: Creep-Age Forming of AA7475 Aluminum Panels for Aircraft Lower Wing Skin Application. (2012)
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Motivation
Stetiger Trend zu integralen Strukturen im Flugzeugbau aufgrund folgender Forderungen:
Leichtbau
Niedrige Fertigungskosten
Hohe Bauteilbelastbarkeit (hohe Festigkeit und Steifigkeit)
Thema: Kriechformen von dünnwandigen Strukturen aus AlMgSc für Flugzeuganwendungen
Werkstoff
Konstruktion Fertigung
AlMgSc
Kriechformen sphärische und dünnwandige Strukturen neigen zur Faltenbildung während des
Umformvorgangs
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AGENDA
Motivation
Stand der Technik
Kriechformprozess
Aluminiumlegierung AlMgSc
Umformverhalten von sphärischen Strukturen
Versuchsaufbau
FE-Simulation
Erste Ergebnisse
Zusammenfassung und Ausblick
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Stand der Technik Kriechformprozess I
Thermo-mechanisch gekoppelter Prozess
Prozessschritte(2)
Nutzung von Kriechmechanismen
Vorteile im Vergleich zu konventionellen Umformverfahren
Sehr geringe elastische Rückfederung; geringe Eigenspannungen
Umformen von komplexen Strukturen (z.B. mit Versteifungen)
Kriechen(3) Spannungsrelaxation(3)
(2)Jambu, S.: Viscoplastic flow behaviour of a new-grade AlMgSc alloy: Applications for creep forming. (2001) (3)Rust, W. : Nichtlineare FE-Berechnungen. (2011)
a b c pVak
T t
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Stand der Technik Kriechformprozess II
1989: von M.C. Holman erstmals erwähnt und patentiert (Textron Aerostructures):
Kombination von Kriechform- und Auslagerungsvorgängen anwendbar für ausscheidungshärtbare Legierungen 2xxx-, 6xxx-, 7xxx-Aluminiumlegierungen
Problem: Kriechformprozess ist abhängig vom Auslagerungszyklus
Beispiel: notwendige Prozesszeit eines Kriechformzyklus für 7xxx-Legierungen (Flügelschalen) beträgt t = 20 h(5)
“Autoclave Age Forming Large Aluminum Aircraft Panels”
(4)Holman, M.C.: Autoclave Age Forming Large Aluminum Aircraft Panels. (1989) (5)P.R. Costa Junior et al.: Evaluation of a 7050-TAF Aluminum Alloy Submitted to Creep Age Forming. (2013)
(4)
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Stand der Technik AlMgSc I
Neuartige Legierung AlMgSc, Eigenschaften(6):
Geringe Dichte (-5 % im Vergleich zu AA2024)
Gute Schweißbarkeit (LBW & FSW)
Gute Korrosionsbeständigkeit
Hervorragendes Schadenstoleranzverhalten
kriechformbar
AlMgSc ist eine nicht-aushärtbare Legierung (5xxx) Kriechformprozess ist unabhängig von Auslagerungszyklen
Hohe Rekristallisationstemperatur
(6)Aleris: Aerospace Aluminum AA5024 AlMgSc Sheet. (2013)
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Einfluss des Elements Scandium auf die Kriechformbarkeit von AlMgSc:
Aluminium bildet zusammen mit Scandium die thermisch stabile Al3Sc-Phase
Mittels Substitution von Scandium durch Zirkonium in der Ausscheidungs- phase (Al3(Sc1-xZrx)) wird dieser Effekt verstärkt (siehe Diagramm)
Hohe Rekristallisationstemperatur
Al3(Sc1-xZrx) dient zudem als Kornfeiner
Hohe Kriechneigung
(7)Riddle et al.: Control of Recrystallization in Al-Mg-Sc-Zr alloys. (1998)
Stand der Technik AlMgSc II
(7)
Rekristallisiertes Volumen vs. Temperatur
Rek
rist
allis
iert
es V
olu
men
[%
]
Temperatur [°C]
Al-0.12Zr Al-0.2Sc Al-0.12Zr-0,2Sc
350 400 450 500 550 600
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AGENDA
Motivation
Stand der Technik
Kriechformprozess
Aluminiumlegierung AlMgSc
Umformverhalten von sphärischen Strukturen
Versuchsaufbau
FE-Simulation
Erste Ergebnisse
Zusammenfassung und Ausblick
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Umformbarkeit von sphärischen Strukturen
Problem:
Doppelt gekrümmte Strukturen neigen beim Kriechformen zum Beulen aufgrund tangentialer Druckspannungen σφ
Forschungsinhalt:
Untersuchungen zum Umformverhalten von sphärischen Schalen als Beispiel doppelt gekrümmter Strukturen
Ermittlung der Grenzen der Umformbarkeit in Abhängigkeit von
der Geometrie (Krümmungsradius R, Blechdicke s, Rondendurchmesser d)
den Prozessparametern (Druck p, Temperatur ϑ, Zeit t)
Zusätzliche Elemente (bspw. Niederhalter)
R
s d
σφ
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Versuchsaufbau
Prozessschritte
Umformbarkeit von sphärischen Strukturen Versuchsaufbau
Messtechnik
Vakuumpumpe und -regler Positionssensor Form (3 sphärisch gekrümmte Formen mit unterschiedlichen Krümmungsradien: R = 1000…1500…2000 mm)
Ofen
Ronde
a b c
pmax ≈ 1 bar ϑmax = 325 °C
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Umformbarkeit von sphärischen Strukturen FE-Simulation
Berechnung
Explizit (Pam-Crash)
Geometrie / Netz
2-dimensional / 4-knotige Schalenelemente
Material
Elastisch-plastisch
Randbedingungen / Lasten
Form als starr (Rigid Body) definiert und gelagert
Ronde mit Druck belastet 0 bar < p < 1 bar
p
Form (starr, gelagert)
Ronde
(*) Knotenverschiebungsausgabe “nach unten”
(*)
Kein Beulen Beulen (pkr = 0,2 bar)
= unterkritisch = überkritisch
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Umformbarkeit von sphärischen Strukturen Erste Ergebnisse I
Ermittlung von kritischen Rondendurchmessern (kritisch in Bezug auf Beulbildung) in Abhängigkeit von Dicke und Krümmung dkrit = f(R, s)
Ronden mit 3 verschiedenen Blechdicken s = 1…1,5…2 mm
Umformen bei Raumtemperatur
Verwendung einer Alternativlegierung (AlMg4,5Mn bzw. AA5083) aufgrund der geringen Verfügbarkeit von AlMgSc (AA5028)
Beulen
Kein Beulen
Beulen
Kein Beulen
Fig. 1: Experimentelle Ergebnisse Fig. 2: Simulationsergebnisse
Kritische Rondendurchmesser - „Beulgrenze“
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Der faltenfrei umformbare Rondendurchmesser steigt mit zunehmender Blechdicke und abnehmender Formkrümmung an
Art und Weise der Beulausbildungen ist abhängig von Blechdicke und Formkrümmung
Höhere Blechdicken und größere Krümmungen (d.h. kleinere Krümmungsradien!) führen zuerst zum Beulen nach außen
Umformbarkeit von sphärischen Strukturen Erste Ergebnisse II
Beulen nach außen (bzw. “nach unten”)
Beulen nach innen (bzw. “nach oben”)
Beulen nach außen und innen
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Umformbarkeit von sphärischen Strukturen Erste Ergebnisse III
Kriech- bzw. Relaxationsumformen einer Ronde aus AlMgSc (R = 2000 mm, s = 1,6 mm, d = 1154 mm)
1. Kaltumformen (pmax)
2. Aufheizen (ϑmax) + Relaxation (t = 2h)
3. Abkühlen, entlasten und entformen
Ergebnisse
Kein Beulen (unterkritischer Rondendurchmesser)
Vollständige Anlage bei pmax und ϑmax (w = 85 mm)
Sehr geringe elastische Rückfederung (Δw ≈ 2 mm)
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AGENDA
Motivation
Stand der Technik
Kriechformprozess
Aluminiumlegierung AlMgSc
Umformverhalten von sphärischen Strukturen
Versuchsaufbau
FE-Simulation
Erste Ergebnisse
Zusammenfassung und Ausblick
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Zusammenfassung & Ausblick
Zusammenfassung
Kriechformen von großflächigen Aluminiumstrukturen mit großem Potenzial, Fertigungsaufwand und -kosten einzusparen
Doppelt gekrümmte Strukturen (bzw. sphärische Strukturen) neigen zum Beulversagen während des Umformprozesses
Abhängigkeit der Geometrie auf das Beulverhalten untersucht
Je größer die Blechdicke und je kleiner die Formkrümmung, desto größer der faltenfrei umformbare Rondendurchmesser („kritischer Rondendurchmesser“)
Neue Aluminiumlegierung AlMgSc erlaubt eine Wärmebehandlung bei sehr hohen Temperaturen (ϑmax = 325 °C) geringe el. Rückfederung
Ausblick
Untersuchungen zum Vorbeugen von Beulen durch Niederhalter
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Zimmermann, Frieder: Kriechformen von dünnwandigen Strukturen aus AlMgSc für Flugzeuganwendungen
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Dipl.-Ing. Frieder Zimmermann Fraunhofer IWS Winterbergstraße 28 01277 Dresden Telefon +49 351 83391-3063 Fax +49 351 83391-3210 E-Mail [email protected] www.iws.fraunhofer.de
Danksagung:
Wir bedanken uns für die finanzielle Unterstützung.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!