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Die Modellierung der Gestaltung einer modernen Schweißverbindung

Es ist ein allgemein üblicher Prozess, Metallteile so miteinander zu verbinden, dass diese integrierten Komponenten ergeben. EU-geförderte Forscher haben ein Simulations-Tool für modernste Schweißtechnik mit ausführlichen Beschreibungen des Mikrostrukturverhaltens entwickelt.
Die Modellierung der Gestaltung einer modernen Schweißverbindung
Reibrührschweißen (FSW) ist ein relativ neuer Festkörperprozess, wobei mit "Festkörper" gemeint ist, dass zwei Metallkomponenten ohne Schmelzvorgang miteinander verbunden werden.

Die Komponenten werden mithilfe von Reibung erhitzt und erweicht. Die Reibung entsteht durch ein rotierendes zylinderförmiges Werkzeug, das über die Verbindungsnaht von zwei eingespannten Metallteilen geführt wird. Die beiden Metalle werden dann durch den Einsatz von Druck miteinander verschweißt, so als würden zwei Lehm-Stücke zusammengedrückt.

Das FSW-Verfahren gilt als eine der wichtigsten aktuellen Entwicklungen im Bereich Metallverbindung. Es hinterlässt bei weichen Metallen wie Aluminium und seinen Legierungen hochfeste, bruchsichere Schweißnähte. Tatsächlich wurde es von der US-Raumfahrtbehörde NASA für das Projekt Externer Tank für das Space Shuttle eingeführt.

Neben den mechanischen Vorzügen und den Kostenvorteilen ist das Reibrührschweißen auch ein überaus "grüner" Prozess, da bei diesem Verfahren weniger Energie als bei konventionellen Methoden aufgewendet wird und umweltfreundlichere Werkstoffe und Techniken zum Einsatz kommen.

Das FSW-Verfahren erzeugt äußerst ungewöhnliche Mikrostruktur-Eigenschaften und verschiedene Mikrostruktur-Zonen. Das genaue Verständnis dieses Verfahrens wurde nicht in gleichem Maße gefördert wie seine tatsächliche Umsetzung und ein virtuelles Entwicklungs-Tool wäre für den Konstruktions- und Herstellungssektor besonders wertvoll.

Europäische Forscher begannen im Rahmen des finanzierten Projekts "Detailed multi-physics modelling of friction stir welding" (Deepweld) mit der Entwicklung eines Software-Tools zur Simulation des FSW-Prozesses.

Die Hauptziele bestanden in der Verwendung verschiedener Maßstäbe, von der mikro- bis zur makroskaligen Modellierung, sowie im Erhalt genauer Vorhersagen über das Verhalten der Teile, Schweißnahteigenschaften und Werkzeugbeanspruchung.

Die am Deepweld-Projekt beteiligten Wissenschaftler entwickelten erfolgreich ein multiphysikalisches, mehrskaliges numerisches Simulations-Tool für den FSW-Prozess. Das Tool verfügte über einen neuartigen Material-Strömungslöser (Flow Solver) auf kleinster Ebene mit industriell erhältlichen Finite-Elemente-Modulen zur Modellierung aller Phasen des FSW-Prozesses.

Die Forscher integrierten in den kleinskaligen thermomechanischen Flow Solver neuartige Metallurgie-Module, um Mikrostrukturveränderungen während des Rührens und Abkühlens des Metalls nachzuweisen.

Der Deepweld-Solver kam bei Flugzeugkomponenten zum Einsatz. Er berechnete treffsicher makroskopische Eigenschaften der Verbindungsstücke (z. B. Eigenspannung und Verformung), wie mithilfe von Experimenten mit verschweißten Platten bestätigt wurde.

Die FSW-Simulations-Software des Deepweld-Projekts bietet Konstrukteuren und Herstellern von Metallkomponenten ein bedeutendes Werkzeug. Sie verfügt über das Potenzial, ein erhebliches Maß an Zeit und Kosten im Hinblick auf die Produktgestaltung und Herstellung einzusparen und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und die Qualität des fertigen Produkts zu verbessern.

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