Kategorie: Fachartikel

Informative und spannende Fachartikel aus Werkstoffe in der Fertigung.

Vom Pulver zum additiv hergestellten Bauteil – Teil 2: Potenziale durch Pulvermischungen

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Pulvermetallurgische Verarbeitung von Pulvermischungen

Pulvermischungen werden in der konventionellen Pulvermetallurgie (PM) beim Matrizenpressen von Formteilen standardmäßig eingesetzt. Beim herkömmlichen Pressen und Sintern von Eisen- und Stahlpulvern werden Legierungszuschläge mit einem gut pressbaren Grundpulver gemischt. Die Legierungszuschläge können als Elementarpulver oder sog. „Meisterlegierung“ zugesetzt werden. Meisterlegierungen enthalten die Legierungselemente in den gewünschten Verhältnissen und vermeiden so das Mischen von Vielkomponentenwerkstoffen. Die Partikelgröße der Zusätze ist abhängig von der Legierungsart. Nicht aufschmelzende Elemente werden in Form feiner Pulver zugemischt, um beim Sintern eine homogene Durchmischung mittels Festkörperdiffusion zu erreichen. Aufschmelzende Partikel können in gröberer Form zugemischt werden, da sich die Schmelze vor den Diffusionsprozessen gleichmäßig im Bauteil verteilt. Aus Pulvermischungen verschiedener Korngrößen und Dichten ergeben sich auch stets Entmischungsproblematiken. In der konventionellen Pulvermetallurgie wird daher zum Teil über ein vorgelagertes Diffusionsglühen feines Pulver an das Grundpulver angesintert oder es werden organische Bindemittel verwendet, um feines Pulver an das Grundpulver zu kleben. Organische Hilfsmittel werden nach dem Formgebungsprozess durch Sintern thermisch entfernt. [1] Weiterlesen

Hochpräzise Messung der physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten mit piezoelektrischen MEMS Resonatoren

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Abbildung 1: MEMS Sensor mit angepasstem Elektrodendesign, um spezielle mechanische Schwingungsmoden effizient anzuregen

Abbildung 1: MEMS Sensor mit angepasstem Elektrodendesign, um spezielle mechanische Schwingungsmoden effizient anzuregen.

Einleitung und Motivation

Flüssigkeiten spielen eine zentrale Rolle in nahezu jedem Aspekt unseres Lebens von Körperflüssigkeiten über Lebensmittel bis hin zu chemischen Prozessen und technischen Anwendungen. Die Kenntnis über die physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten wie Viskosität und Dichte erlaubt vielfältige Rückschlüsse auf deren aktuellen Zustand. Weiterlesen

Verbesserung der Delaminations-, Impakt- sowie Schadenstolenanzeigenschaften von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen durch eine dreidimensionale Verstärkung mittels z-Pins

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Abbildung 1 Z-Pins zur 3D-Verstärkung von Faser-Kunststoff-Verbunden: v.l.n.r. mit kreisförmigem Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,28 mm und 0,5 mm sowie mit definierter Oberflächen-Mikrostrukturierung (umlaufende Kerben) und mit rechteckförmiger Querschnittsfläche.

Abbildung 1 Z-Pins zur 3D-Verstärkung von Faser-Kunststoff-Verbunden: v.l.n.r. mit kreisförmigem Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,28 mm und 0,5 mm sowie mit definierter Oberflächen-Mikrostrukturierung (umlaufende Kerben) und mit rechteckförmiger Querschnittsfläche.

Einleitung

Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe, wie sie heute verbreitet in Strukturkomponenten in der Luft- und Raumfahrt sowie zunehmend auch in Bereichen der Elektromobilität zum Einsatz kommen, bestehen typischerweise aus einer polymeren Matrix in Kombination mit verstärkenden Fasern. Speziell die kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK) mit Epoxidharzmatrix werden dort eingesetzt, wo ein hoher Leichtbaugrad zwingend erforderlich ist, um energie- und kosteneffiziente Systeme zu erreichen. Diese Werkstoffe besitzen, abhängig u.a. von der Kombination von Matrix und Faserverstärkung sowie der Anordnung und Ausrichtung der verstärkenden Fasern, hervorragende mechanische Eigenschaften kombiniert mit einem geringen Gewicht. Diese Eigenschaften zeigen sich in der Laminatebene, in der die lasttragenden Fasermaterialien ausgerichtet sind. Weiterlesen

Anwendungsorientierte Materialkennwertermittlung für Zerspansimulationen auf Basis digitaler Bildkorrelationsverfahren

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Möglichkeiten der Zerspansimulation

Mit fortschreitender Digitalisierung in der Produktionstechnologie gewinnt auch die Zerspansimulation bei der Entwicklung von Präzisionswerkzeugen zunehmend an Bedeutung. Die überwiegend auf der Finite Elemente Methode (FEM) basierenden Ansätze erlauben es, komplexe Geometrievarianten mit wenig Aufwand im frühen Entwicklungsstadium zu simulieren. Die Ergebnisse ermöglichen eine Beurteilung hinsichtlich der Spanbildung sowie der thermomechanischen Belastungen an der Schneidkante und dem Werkzeugkörper. Der Simulationsein­satz bietet Einsparpotenziale in der Entwicklung, da vielversprechende Designs frühzeitig identifiziert und die Anzahl realer Prototypen und Maschinentests verringert werden können. Abb. 1 stellt exemplarisch die mechanische Belastung eines Kugelfräswerkzeugs durch Zugspannungsanteile am Übergang der Schneide zum Werkzeugkörper bei unterschiedlichen Schnittbedingungen gegenüber.

Abb. 1: Mechanische Belastung (Max. Hauptnormalspannung) eines Werkzeugs bei unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten, berechnet mit dem kommerziellen System AdvantEdge v7.7 (Third Wave Systems, Inc. USA)

Abb. 1: Mechanische Belastung (Max. Hauptnormalspannung) eines Werkzeugs bei unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten, berechnet mit dem kommerziellen System AdvantEdge v7.7 (Third Wave Systems, Inc. USA)

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MXene

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Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Mit der Entdeckung des Graphens im Jahr 2004 haben zweidimensionale (2D) Materialien wie MXene aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen, elektronischen, optischen sowie chemischen Eigenschaften und den damit verbundenen Anwendungsmöglichkeiten ein wachsendes Interesse erzeugt.

Im Gegensatz zum Graphen, bei dem die Abtrennung der benötigten atomlagen-dünnen Schichten ohne viel Kraftaufwand durch mechanische Trennung möglich ist, ist bei MXenen eine chemische Trennung erforderlich. Als Ausgangsmaterial für MX­ene dienen MAX-Phasen, deren Schichtstrukturen aus Übergangsmetallen (M) bestehen, die von Kohlenstoff oder Stickstoff (X) koordiniert werden, und einem dazwischenliegenden Element der 3. oder 4. Hauptgruppe (A). Für MXene werden daher Ätzverfahren mit Fluss- oder Salzsäure in Kombination mit Fluoridsalzen eingesetzt, um die A-Schichten selektiv zu lösen und die MXene zu isolieren. Weiterlesen

Wärmeleitende Kunststoffe

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Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner

Kunststoffe begleiten uns praktisch überall durch den Alltag, was ihrer ausgesprochenen Vielseitigkeit zu verdanken ist. Eine sehr prägnante Eigenschaft von Kunststoffen, die häufig auch bewusst eingesetzt wird, ist ihre gute thermische Isolation (die Wärmeleitfähigkeit liegt allgemein im Bereich 0,1 – 0,6 W/mK). In einer zunehmend digitalisierten Welt kann sich dies aber auch nachteilig auswirken, z. B. bei der Weiterentwicklung von flexibler organischer Elektronik oder der weiteren Miniaturisierung von Systemen. Wärmeleitfähige Polymere stellen daher eine sinnvolle Ergänzung im Repertoire der Kunststofftechnik dar. Neben ihrem vielseitigen Einsatz in elektronischen Komponenten könnten sie beispielsweise auch als Wärmetauscher, für thermoregulierende Textilien (stabil > 200 °C) oder im Bereich der Energieindustrie eingesetzt werden. Dabei können derartige Kunststoffe bedarfsgerecht in ihren Eigenschaften zur elektrischen Isolierung oder Leitung verändert und damit optimiert werden. Um eine solche Optimierung der Wärmeleitung in Polymeren zu ermöglichen ist ein gutes Verständnis der an der Wärmeleitung beteiligten Mechanismen unabdingbar. Weiterlesen

Lebensdauer laufender Drahtseile – Einflüsse aus Festigkeit und Verdichtung

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Einleitung

Laufende Spezialdrahtseile für verschiedenste Anwendungen, beispielsweise im Kran-, Aufzug-, Bergbaubereich, sind in unterschiedlichen Drahtfestigkeiten verfügbar. Zusammen mit dem jeweiligen Seilaufbau und dem sich ergebenden metallischen Querschnitt bestimmen sie maßgeblich die Bruchkraft eines Drahtseiles. Diese ist gleichzeitig Basis für aktuelle normative Nachweise von Drahtseilen in Seiltrieben. Bei Berücksichtigung weiterer Seiltriebkomponenten ist es vielmals wirtschaftlicher, bei der Auslegung kleine Seildurchmesser und hohe Bruchkräfte auszuwählen. Dies führt häufiger zur Verwendung hoher Drahtfestigkeiten sowie weiter gesteigerter Bruchkraft durch den Einsatz verdichteter Seilkonstruktionen. Diese Verdichtung kann einerseits durch die sog. Litzenverdichtung vor der Verseilung und andererseits durch Hammerverdichtung des fertigen Drahtseiles realisiert werden. Hinsichtlich der Lebensdauer der Seile müssen jedoch hochfeste Drahtseile nicht zwangsläufig vorteilhaft sein. Durch eine Vielzahl von heutigen und auch früheren Versuchen sowie aufgrund von Erfahrungsberichten aus der Praxis, ist ein Trend festzustellen, dass höhere Festigkeiten und Verdichtungsgrade nicht zu einer längeren Lebensdauer führen. Aktuelle Untersuchungen innerhalb einer umfangreichen Versuchsreihe an der TU Dresden werden unter diesem Gesichtspunkt durchgeführt und sollen einen Beitrag leisten, die Zusammenhänge zwischen Drahtfestigkeit, Verdichtung und Lebensdauer besser in den vorhandenen Methoden zur Abschätzung der Betriebs- und Lebensdauer zu berücksichtigen. Die Betriebsdauer steht in der Seiltechnik für das Erreichen bestimmter Ablegekriterien und die Lebensdauer für das komplette Seilversagen. Für deren rechnerische Abschätzung in Seiltrieben stehen für Hersteller, Betreiber sowie wissenschaftliche Betrachtungen zwei Methoden zur Verfügung – die Methode nach Feyrer (Stuttgart) [Fey00] und die nach Jehmlich/Steinbach (Leipzig) [Jeh85], [Ste04]. Beide Herangehensweisen liefern für den durch Versuche abgedeckten Parameterbereich vergleichbare Ergebnisse. Schwerpunkt der hier vorgestellten Arbeiten ist die Weiterentwicklung der Methode Leipzig in Hinblick auf moderne Seilkonstruktionen, bei denen hohe Drahtfestigkeiten und die genannten Verdichtungsverfahren zum Einsatz kommen. Im Widerspruch dazu liefert die rechnerische Abschätzung mit den beiden genannten Methoden hingegen bei höheren Festigkeiten längere Lebensdauern. Neben einem umfangreichen Versuchsprogramm von Dauerbiegeversuchen sind auch weiterführende Untersuchungen hinsichtlich der Seildrähte Bestandteil der Betrachtungen. Derzeit liegen Ergebnisse von Dauer- und Umlaufbiegeversuchen sowie werkstoffanalytische Erkenntnisse vor. Weiterlesen

Vom Pulver zum additiv hergestellten Bauteil

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Teil 1: Perspektiven durch heiß-isostatisches Pressen

Pulvermetallurgische Herstellung

Pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile (PM) sind im Bereich des Motorenbaus, bei Getriebeteilen sowie im Werkzeug- oder Formenbau etabliert. Beim konventionellen Pressen und Sintern werden wasserverdüste, spratzige Metallpulver mit Additiven und weiteren Legierungselementen gemischt und in Pressformen zu Grünkörpern verdichtet, die bereits annähernd die endgültige Form aufweisen (near netshape). Während der Festphasensinterung unter Vakuum, Inertgas oder reduzierenden Atmosphären verbinden sich die Pulverpartikel durch Diffusion und stellen das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften ein. Pressen und Sintern wird als ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für hohe Stückzahlen eingesetzt. Auch der Metallpulverspritzguss (MIM) ermöglicht Serienfertigung, typischerweise jedoch für kleine, komplex geformte Teile mit hoher Oberflächengüte und Maßhaltigkeit. Sehr feine Metallpulver werden mit thermoplastischen Bindern versetzt und unter erhöhten Temperaturen und hohem Druck in Spritzgusswerkzeuge gepresst. Die Grünteile werden thermisch oder chemisch entbindert und unter starker Sinterschwindung gesintert. Für Anwendungen, die herausragende mechanische Eigenschaften oder harte Werkstoffe erfordern, die durch Spanen, Schmieden oder Gießen nicht verarbeitet werden können, wird auf das Verfahren des heiß-isostatischen Pressens (HIP) zurückgegriffen. Kapseln, welche die Bauteilgeometrie abbilden, werden hierbei aus Stahlblech geschweißt, mit sphärischem, gasverdüstem Metallpulver gefüllt, evakuiert, verschlossen und bei hohen Temperaturen und Drücken zu voller Dichte konsolidiert. Zuletzt wird die Kapsel, die nur als Hilfsmittel zur Verdichtung genutzt wurde, entfernt. Weiterlesen

Fortsetzung des Themas Arbeitsschutz – immer ein großes und wichtiges Thema!

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Auch in Zeiten von Homeoffice ist der Arbeitsschutz ein bestehendes und wichtiges Thema, das nicht an Bedeutung für ein Unternehmen verlieren darf; gerade für Führungskräfte sollte bzw. muss der Arbeitsschutz immer im Fokus stehen auch zu Zeiten von Homeoffice.

In dem vergangenen Artikel bin ich auf die ersten zwei Grundpfeiler eingegangen neben dem Thema Organisation des Betrieblichen Arbeitsschutzes und der Gefährdungsbeurteilung und deren wichtigen Bedeutung für das Unternehmen.

Nun möchte ich Ihnen weitere wichtige Bestandteile des Betrieblichen Arbeitsschutzes vorstellen, die eben auch dazu gehören. Weiterlesen

Problematik des Recyclings von CFK aus End-of-Life-Bauteilen

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Anwendung von CFK

Abbildung 1: Vergleich verschiedener technischer Fasern hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften [eig. Darstellung in Anlehnung an 2]

Abbildung 1: Vergleich verschiedener
technischer Fasern hinsichtlich ihrer
mechanischen Eigenschaften [eig. Darstellung
in Anlehnung an 2]

Die unbestreitbaren Potenziale, die der Einsatz von Kohlenstofffasern (engl. carbon fibres; CF) zur Verstärkung von Kunststoffen (CFK) bietet, beruhen insbesondere auf dem Paradoxon nach Slayter. Dieses besagt, dass ein Verbundwerkstoff Spannungen aufnehmen kann, die bei dessen schwächster Komponente zu einem Werkstoffversagen führen würden. [1] Entsprechend bewirken die ohnehin guten mechanischen Kennwerte der Kohlenstofffasern (vgl. Abb. 1) ein deutlich gesteigertes Eigenschaftsprofil in technischen CFK-Anwendungen. Im Zusammenspiel mit den geringen Dichten von Fasern und Kunststoffmatrix bietet sich CFK als ideales Material für Leichtbauzwecke an. Weiterlesen