Aktuelle Informationen aus demInstitut fürSchweißtechnik und Fügetechnikder RWTH Aachen 54

Themen:

Hybridverbund aus Stahl mit kohlenstoffverstärktem Kunststoff mittels CMT-Pin-Verstärkung

Untersuchung des Tragverhaltens filigran ausgebildeterPin-Strukturen für den Stahl-Beton-Verbundbau

News

Materialkombination aus endlosfaserverstärkten Kunststoffenund Metall mit integrierter Sensorüberwachung

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2 ISF Direkt 54 – November `16

Materialkombination aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen und Metall mit integrierter Sensorüberwachung

Jens Lotte Kurzfassung: Bei der Fertigung von Leichtbau-strukturen kann in einer zunehmenden Anzahl von Industriezweigen (Automotive, Luft- und Raumfahrt, Windenergie, Maschinen- und Anlagenbau) ver-mehrt der Einsatz von Hybridstrukturen aus endlos-faserverstärkten Kunststoffen und Metallen beo-

bachtet werden. Die Fügestelle aus FVK und Metall ist dabei häufig die limitierende Größe für den Einsatz. Im vorgestellten Forschungsvorhaben wird eine faser-gerechte Fügetechnologie entwickelt, welche den Ein-satz eines Schadensmonitoringsystems ermöglicht.

Fügetechnik für FVK/Metall-Verbunde: Eine Ver-bindung zwischen Metallen und Kunststoffen kann gegenwertig nur durch mechanische Fügeverfahren und Klebstoffe (adhäsiv) prozesssicher erfolgen. Mechanische Fügeverfahren werden mittels Durch-setzen eines Hilfsfügeteiles (bspw. Schraube) er-zeugt. Es kommt so prozessbedingt zu Faserschä-digungen im FVK, wodurch die richtungsabhängi-gen Werkstoffeigenschaften stark negativ beein-flusst werden. Zudem verbleibt ein Spalt zwischen den Fügeteilen, welcher aufgrund von Kapillarkräf-ten das Eindringen von korrosiven Medien begüns-tigt. Strukturelle Klebungen versagen hingegen meist spröde, ohne dass ein bevorstehendes Ver-sagen optisch frühzeitig erkannt werden kann. Die Fügepartner werden durch den Klebstoff nur ober-flächlich miteinander verbunden, weshalb eine Krafteinleitung in tiefer liegende Faserlagen nur un-zureichend über die Matrix stattfinden kann. Zudem sind für reproduzierbare Festigkeiten von geklebten Verbindungen aufwändige Oberflächenvorbehand-lungen der Fügeteile notwendig. Kleinskalige Formschlusselemente: Ein neuer Ansatz ist das intrinsische Fügen von FVK und Me-tallen unter Verwendung kleinskaliger Formschlus-selemente. Diese können durch Auftrag von Zusatz-material, oder direkt aus dem Grundwerkstoff er-zeugt werden, Abb. 1. Beispiele hierfür sind CMT- und Additive Manufacturing-Prozesse, oder Surfi-Sculpt- und GripMetal-Strukturen.

Abb. 1: Beispiele unterschiedlicher kleinskaliger Form-schlusselemente

Intrinsisches Fügen: Hierbei sind Verfahren ge-meint, bei denen mindestens ein Werkstoff erst während des Fügeprozesses entsteht. Untersucht werden an dieser Stelle Pinstrukturen, welche mit-tels CMT-Pinschweißen aufgebracht werden. Das Fasermaterial lässt sich in trockenem Zustand um

diese Pins herum führen, wobei nach der Infusion des Matrixharzes und dessen Aushärtung ein zusätzlicher adhäsiver Verbund entsteht. Durch die Pinstrukturen können angreifende Kräfte in tiefere Faserlagen ein-geleitet werden, wodurch die Verstärkungsfasern die Lasten gleichmäßiger aufnehmen und der Verbund-werkstoff optimal ausgenutzt wird. Durch den zusätz-lichen Formschluss versagt die Fügestelle anders als bei reinen, strukturellen Klebungen nicht abrupt, son-dern zeigt ein duktiles Nachbruchverhalten. Structural Health Monitoring: Die sich ergebende mehrstufige Versagenscharakteristik ermöglicht eine einfache Überwachung der Fügestelle. Dadurch kön-nen vor dem endgültigen Versagen der Anschluss-stelle Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden. Die eingesetzte Sensorik basiert auf einer durchgängigen elektrischen Verbindung im Bauteil, die im Schadens-fall getrennt wird, Abb. 2.

Abb. 2: Hybride Fügestelle aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und Stahl mit integrierter Sensorüberwachung

Im Gegensatz zur Klebverbindung ohne Pins kann nach dem ersten Rückgang der aufgenommenen Kräfte, ein erneuter Anstieg der Kraft bis zur endgülti-gen Bruchkraft beobachtet werden. Der integrierte Sensor spricht beim adhäsiven Versagen und damit vor der vollständigen Trennung der Fügepartner an. Förderhinweis: Das IGF-Vorhaben 17971 N/2 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. und Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Hierfür dan-ken wir herzlich.

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Untersuchung des Tragverhaltens filigran ausgebildeter Pin-Strukturen für den Stahl-Beton-Verbundbau

Johannes Schäfer Kurzfassung: Im Rahmen des Forschungsprojek-tes wird ein Verbund untersucht, der durch filigran ausgebildete Pin-Strukturen bis zu 5 mm Höhe eine formschlüssige Verbindung zwischen Stahl und Be-ton ausbildet. Die kleinskaligen Strukturen können

dabei aus dem Schweißdraht unterschiedlicher Durchmesser geformt werden und bilden eine kugel-förmige Spitze an ihrem freien Drahtende aus, die den finalen Formschluss in der Kombination mit Beton dar-stellt.

Gerade im Zeitalter von Ressourceneinsparungen rücken gewichtsreduzierende Materialkombinatio-nen im Bausektor in den Fokus aktueller For-schungsanwendungen. Aus diesem Grund be-schäftigt sich ein Forschungszusammenschluss be-stehend aus Institut für Massivbau (IMB), Institut für Stahlbau (STB) und Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH mit der Untersuchung eines filigranen Formschlusses für gewichtsredu-zierte Stahl-Beton-Verbindungen. Die Verschlan-kung wird dabei durch den Einsatz von hoch- (HSC) und ultrahochfesten Betonen (UHPC) erreicht, die ein günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Eigenge-wicht ausbilden. Dadurch lassen sich im Verbund-bau zwischen Stahl und Beton Verbundkonstruktio-nen realisieren, deren Bauteildicke auf wenige Zen-timeter reduziert werden kann und damit kleinere Querschnitte ermöglicht werden können. Eine Prob-lematik stellt dabei jedoch die Verbindung der bei-den Materialien dar. Bei diesen Materialdicken sind bekannte formschlüssige Elemente wie Kopfbolzen-dübel oder Verbunddübelleisten zur Übertragung der Schubkräfte nicht mehr möglich oder in ihrer kleinsten Ausbildung bereits überdimensioniert. Eine geeignete Lösung stellt unter diesen Voraus-setzungen die Nutzung von kleinskaligen Pin-Struk-turen dar, die mithilfe des CMT-Pin-Prozesses von Fronius International generiert werden können. Durch die Einflussnahmen auf den Bildungsprozess lassen sich unterschiedliche Pin-Formationen (bei-spielsweise Abb. 1) aus

Abb. 1: Hochgeschwindigkeitsaufnahme Pin-Formung (oben), unterschiedliche Pin-Formationen durch elektri-sche Variation (unten)

Schweißdrahtdurchmessern von 0,8 und 1,2 mm ge-nerieren (Grundwerkstoff ASTM A633 und AISI 304). Die erzielbaren Höhenausbildungen ordnen sich da-bei in einem Intervall zwischen 2,5 und 5 mm ein, die zusätzlich in der Formung des Pin-Fußes, des Schaf-tes und des Kopfes je nach Vorgabe variieren können. Durch Prüfung der Pin-Formationen über Zug- und Abscherversuche kann ein Versagen inmitten des Schaftes oberhalb des Pin-Fußes durch Zugversuche bzw. ein Abscheren unmittelbar oberhalb des Pin-Fu-ßes über Abscherprüfung nachgewiesen werden. Die erfolgreiche Nutzung für den Verbundbau erfolgte über Versuche, bei denen Pin-Formationen mit hoch- und ultrahochfesten Betonen (Größtkorndurchmesser max. 0,6 mm) umgossen und einer Untersuchung auf Auszug, Torsion und Abscherung in Kleinteilproben unterlagen. Während die Versagensarten bei zerstö-render Prüfung durch Auszug- und Torsionsversuche vorwiegend durch Betonversagen mit der Bildung von Ausbruchkegeln um die Pins zu verzeichnen ist, zeigt sich bei Abscherversuchen ein abweichendes Verhal-ten. Dabei ist ein Stahlabscheren gerade unter der Verwendung von ultrahochfesten Betonen zu ver-zeichnen, welches bis zum kompletten Abscheren des Pin-Fußes führt oder alternativ ein Betonausstanzen unter Verwendung von hochfesten Betonen (Abb. 2). Aus den Verbundversuchen und zusätzlichen FE-Stu-dien zur Tragmodellentwicklung konnte für den erfolg-reichen Einsatz einer Stahl-Pin-Beton Verbindung ein erforderlicher Hinterschnitt des Betons zum Pin-Kopf von Durchmesser Pin-Kopf / Durchmesser Pin-Schaft ≥ 1,4 und ein Pin-Pin-Mindestab-stand ≥ 2,3 x Pin-Höhe errechnet werden.

Abb. 2: Schubversagensarten Stahlabscheren (links) und Betonausstanzen (rechts)

Förderhinweis: Wir danken für die Förderung des Projektes „Untersuchung der Tragmechanismen neu-artiger, kleinskaliger Pin-Verbundmittel zwischen Stahl und Beton“ unter der Fördernummer RE 2755/32-1/FE 459/5-1/HE 2637/20-1 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Hierfür danken wir herzlich.

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News

Am 20. Mai 2016 hat Dr. Elmar Stracke nach 15jäh-rigem sehr engagiertem Wirken den Vorsitz des Freundeskreises an Dr.-Ing. Johannes Weiser über-geben. Herrn Dr. Stracke sei an dieser Stelle dafür nochmals herzlich gedankt.

Neue Mitarbeiter

Im August 2016 hat Christian Schmitz die Ausbil-dung zum Industriemechaniker in der Mechani-schen Werkstatt begonnen, die Janis Künzer im Ja-nuar 2016 erfolgreich beendete und seitdem als Facharbeiter in der mechanischen Werkstatt tätig ist. Herr Lukas Oster ist seit Mai 2016 neuer wissen-schaftlicher Mitarbeiter in der Lichtbogenabteilung. Frau Sharareh Mortazavi unterstützte die Elektro-nenstrahlabteilung von Mai bis September als wis-senschaftliche Hilfskraft. Robin Schwenke hat die IHK-Prüfung zum Mathematisch-technischen-Soft-wareentwickler im August 2016 erfolgreich abge-legt. Jennifer Pobehaj, die nach ihrer Ausbildung zur Kauffrau für Bürokommunikation am ISF ca. 1,5 Jahre in der Buchhaltung tätig war, hat eine neue Aufgabe am Institut für theoretische Elektrotechnik der RWTH Aachen übernommen.

Promotionsjubiläen

Das ISF gratuliert den goldenen Promotions- Jubilaren, die 1966 ihre Promotion im ISF mit der mündlichen Prüfung beendeten: Herrn Dr.-Ing Jür-gen Fortmann, Herrn Dr.-Ing. Peter Buschhoff

Abgeschlossene Forschungsprojekte

Untersuchung der Tragmechanismen neuartiger, kleinskaliger Pin-Verbundmittel zwischen Stahl und Beton“ DFG (RE 2755/32-1/FE 459/5-1/HE 2637/20-1) Untersuchung des Einflusses der materialabhängi-gen Eigenschaften von Aluminiumdrahtelektroden auf die Stabilität und das Schweißergebnis bei Schutzgasschweißprozessen (AiF 17.524 N / DVS 01.084) Entwicklung und Qualifizierung einer modifizierten äquivalenten Wärmequelle für die Simulation der Wärmeeinbringung beim Lichtbogenschweißen (IGF-Nr. 17.942 N)

Neue Forschungsprojekte

Schichtsystem für Strömungsbauteile aus Gussei-sen unter Degradation durch Verschleiß, Kavitation und Korrosion, (DFG RE 2755/41-1) EquineHoofRepair – Entwicklung eines Klebstoff-systems sowie eines Hufhornspaltpflasters zur Be-handlung von Hornspalteffekten bei Pferden; Erar-beitung eines Anforderungsprofils für EquineHoo-fRepair sowie die Qualifizierung eines geeigneten Hufhornspaltpflasters (ZIM ZF4134804AJ6)

AlCu-Buckelschweißen - Untersuchungen zum Wider-standsbuckelschweißen zur Erzeugung elektrischer Al-Cu-Kontaktierungen (IGF -Nr. 18581 N / 1) Serielles Plasma-MSG-Hybridschweißen bei Verwen-dung angepasster Prozessvarianten zum wirtschaftli-chen Fügen von Aluminium (IGF-Nr. 19.203 N)

Neue Messtechnik

NOH-Analysator Bruker Galileo G8 – Bestimmung von N, O und H mittels Trägergasheißextraktion Materialproben werden in einem Graphittiegel bei ho-hen Temperaturen im Inertgasstrom geschmolzen und das freigesetzte Gas wird analysiert. Ein externer Infrarot-Ofen ermöglicht darüber hinaus die Messung des diffusiblen Wasserstoffgehalts z.B. in Schweiß-nähten nach ISO 3690 und AWS A4.3, Abb. 1.

Abb. 1: NOH-Analysator

Sonstiges

ISF-Weldmeister – Finalteilnahme Zerspaner Cup ISF-Weldmeister müssen sich, nach einem guten 5. Platz im letzten Jahr, erst im Finale des Zerspaner Cups geschlagen geben und verlassen den Fußball-platz als Turnierzweiter aus 18 Aachener Betriebs-mannschaften. FAMOS für FAMILIE 2016 Seit neun Jahren wird vom Familienservice der RWTH die Auszeichnung „Famos für Familie“ verliehen, mit der Führungskräfte für ihre besonders familienfreund-liche Personalführung ausgezeichnet werden. In die-sem Jahr war auch Professor Reisgen auf Vorschlag der Institutsmitarbeiter unter den Preisträgern.

Abb. 2: Auszeichnung „Famos für Familie“ für Prof. Reisgen

Herausgeber: Freundeskreis des Instituts für Schweißtechnik der technischen Hochschule Aachen e.V. Vorsitzender: Dr.-Ing. Johanes Weiser Anschrift: Pontstr.49, 52062 Aachen email: office@isf.rwth-aachen.de

Redaktion: Stefan Gach, M.Eng.