Herstellung ausgeschäumter Leichtbau-Profile Production of...

Herstellung ausgeschäumter Leichtbau-Profile

Dr.-Ing. Christian Klose

Leibniz Universität Hannover

Institut für Werkstoffkunde

Bereich Biomedizintechnik und Leichtbau

11.04.2014

Production of lightweight foam-filled profiles

Gefördert durch:

Christian Klose | Werkstoff-Forum auf der Hannover Messe | 11.04.14

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Einleitung

Warum „baut“ die Natur auf zellulare Strukturen?

Effizienz, die natürliche zellulare Strukturen durch

ihre gewichtsbezogenen mechanischen Eigenschaften

erreichen!

Korallen

Spongiosa

Kompakta

Knochen des Menschen

Bildquelle:

de.wikipedia.org


Seite 3

Metallische Schäume

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80

Sp

an

nu

ng

Stauchung e%

MPa

Idealer Energieabsorber

Absorbierte Energie

Druck

Zug

Geringe Dichte 0,1 g/cm3 ≤ ρ ≤ 1,0 g/cm3

Ausgezeichnetes Energieabsorptionsvermögen

Hohes Festigkeitsniveau gegenüber Polymerschäumen

Hohe spezifische Steifigkeit

Schall- und wärmedämmend

Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten metallischer Schäume

Mg-Schaum (Längsschnitt)

Kerbwirkung der Porenstruktur

Einsatz in Form von Werkstoffverbunden

F

F, M


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Verstärkung von Profilen mit Metallschäumen

Aluminiumschaum-Profilverbunde

Ausschäumen von Profilabschnitten zur

Strukturverstärkung / Dämpfung

Oftmals kein Vorteil gegenüber

Wanddickenerhöhung / Werkstoffsubstitution

Getrennte Herstellung von Profil und Schaum, Einsatz von Klebetechnik

Demonstrator-Bauteil:

PKW-A-Säule

lokale

Aluminiumschaum-Verstärkung

Konsequenter Leichtbau: Verstärkung von knickgefährdeten Bereichen

Spaceframe

Ferrari Spider

F360

Bildquelle:

tophdcars.com


Seite 5

Motivation

Potential für den

Werkstoff- und Konzeptleichtbau

Magnesium

kontinuierlich im

kombinierten Prozess

diskontinuierliches

Ausschäumen

Einsatz von

Klebetechnik

Aluminium

getrennte Herstellung

Prozess

Werkstoff

Erweiterung bestehender Verfahren der Verbundprofilherstellung

Stand der Technik


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Ultraleichte Magnesium-Verbundprofile

Entwicklung einer Prozesskette zur Erzeugung verstärkter Mg-Mg-Rollprofile

Entwicklung und Untersuchung eines Verfahrens für das fertigungsintegrierte

Ausschäumen von Magnesiumprofilen

Lokale, individuelle Verstärkung dünnwandiger Profile mit Mg-Schaum

Kontinuierliche Profilfertigung mit magnesiumgerechter

Aufschäumtechnologie

Zielsetzung:

Strangpressen von Mg-Bändern &

aufschäumbaren Mg-Halbzeugen Rollprofilieren

Aufschäumen

Schweißen

der Rohre


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Anlagentechnische Umsetzung im IW

10 MN Kurzhub-Frontlader

Strangpresse (Fa. SMS Eumuco)

Pressverfahren: direkt / indirekt

Container-Ø: 125 mm / 146 mm

v-Stempel: 0,5 mm/s bis 30 mm/s

Puller: 12 m / 1000 N

Rollprofilieranlage

(Fa. Nagel Profiliertechnik)

Anzahl Stufen: 16 Umformstationen

2 Kalibrierstationen

Schweißverfahren: WIG, Mikroplasma

Besonderheit: Integrierte

Aufschäumeinheit

(IR-Strahlungsheizung)


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170,33

157,33 173,17

160,50

146,00

173,83

130

140

150

160

170

180

190

200

0° 45° 90°

Dehngre

nze R

p 0

,2 in M

Pa

165,33

155,67

176,33

150,00

140,00

172,17

130

140

150

160

170

180

190

200

0° 45° 90°

Dehngre

nze R

p 0

,2 in M

Pa

Mechanische Eigenschaften von Mg-Blechen

Pressrichtung Pressrichtung

TBlock = 350°C TBlock = 390°C

Zugversuch nach ISO 6892

AZ31 stranggepresst 80 x 1 mm, Luftabkühlung

vram = 0,5 mm/s

vram = 2,0 mm/s

vram = 0,5 mm/s

vram = 2,0 mm/s


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Mechanische Eigenschaften von Mg-Blechen

TBlock = 350°C TBlock = 390°C

Zugversuch nach ISO 6892

AZ31 stranggepresst 80 x 1 mm, stehende Wasserwelle

174,33

154,50

174,17

163,50

145,17

170,67

130

140

150

160

170

180

190

200

0° 45° 90°

Dehngre

nze R

p 0

,2 in M

Pa

166,50

154,83

171,33

156,83

142,00

170,17

130

140

150

160

170

180

190

200

0° 45° 90°

Dehngre

nze R

p 0

,2 in M

Pa

vram = 0,5 mm/s

vram = 2,0 mm/s

vram = 0,5 mm/s

vram = 2,0 mm/s Pressrichtung Pressrichtung


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Fertigungsintegriertes Aufschäumen

Magnesiumgerechte Anlagentechnik

IR-Strahler

Schweißen

Ausschäumen

Profileinformung

Legierungen MgZn3 oder MgSn3

+ 1,5 m% TiH2

Erwärmungsstrategie über IR-Strahlung

mit anschließender Kühlung (Druckluft)

Aufschäumen des Mg-Halbzeugs unter

Schutzgasatmosphäre (Ar + 18 % CO2)

Prüfstand für

Aufschäumversuche

Schema

fertigungsintegriertes

Aufschäumen


Seite 11

Untersuchung des Aufschäumverhaltens

Stadien der Schaumentwicklung

Abgebrochener

Aufschäumversuch

µCT80

(Scanco Medical)


Seite 12

Untersuchung des Aufschäumverhaltens

schäumbares Halbzeug

MgSn3 + 1,5 m% TiH2 (o. Wärmebehandlung)

Resultierende Porenstruktur

MgZn3 + 1,5 m% TiH2

Homogene

Porenstruktur

XRD:

Zinn in

Mg2Sn

Homogene Struktur

Phase Mg2Sn in den Zellstegen detektiert

Schaumstabilisierung

EDX:

70,5 m% Sn

29,5 m% Mg

Schaum

Mg2Sn


Seite 13

Charakterisierung hergestellter Schäume

Plateauspannung

Dehnungsmessung mittels Video-Extensometer

MgZn3-Schaum

(Ø 18 mm x 30 mm)

= 0,001 s-1

Prüfung in Anlehnung an DIN 50134

e

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80

Sp

an

nu

ng

Stauchung

Dichte 0,52 Dichte 0,51

MPa

%

Hysterese

Pl

g/cm3 g/cm3


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Charakterisierung hergestellter Schäume

Plateauspannung

Dehnungsmessung mittels Video-Extensometer

MgZn3-Schaum

(Ø 18 mm x 30 mm)

= 0,001 s-1

Prüfung in Anlehnung an DIN 50134

e

MgZn3 mit geringfügig höherer Plateauspannung

1

10

100

0,40 0,45 0,50 0,55 0,60

Sp

an

nu

ng

σP

l(2

0-4

0 %

)

Dichte

MgZn3 MgSn3

MPa

g/cm3


Seite 15

Integration des Aufschäumens in den Profilierprozess

Distanzstücke

Haspel

Biegefolge

Spaltband Profiliergerüst

Einlegen der

schäumbaren Halbzeuge

in den geöffneten Profilstrang

Spaltrohr

Aufschäumen der Halbzeuge

in einer integrierten

Bestrahlungsstation Heizen

Biegefolge

Verschweißen

und

Kalibrieren des

Profils


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Profilieren und Schweißen von Magnesiumrohren

Stranggepresste AZ31-

Flachprofile

Schweißtisch der Profilier-

anlage mit AZ31-Band

Rollprofiliertes AZ31-

Spaltrohr

Rollprofiliertes AZ31-

Spaltrohr nach dem

Spannungsarmglühen

Geschweißtes AZ31-

Rohr (Ø 20 x 0,5 mm),

Mikroplasma 0,5 m/min

AZ31-Rohr, Querschliff der

Schweißnaht

Herstellung von längsnahtgeschweißten AZ31-Rohren

Strangpressen von AZ31-Bändern

(0,5…2 mm)

Profilierung der Mg-Bänder

Hohe Rückfederung bei

Raumtemperatur!

Längsschweißen nicht möglich

Spannungsarmglühen erforderlich

(320°C für 15 min in Zwangslage)


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Exkurs: Mechanische Prüfung 1.4301 + Mg-Schaum

Quasi-statischer 3-Punkt-Biegeversuch

Massenzunahme

+ 23%

Massenzunahme

+ 20%

Profil mit MgZn3, ρ = 0,65 g/cm3

Profil mit MgSn3, ρ = 0,55 g/cm3

Profil 250 mm, Rohr Stahl 1.4301

Einfluss der lokalen Schaumverstärkung (75 mm)

in profiliertem Stahlrohr 20 x 0,5 mm

Profil ohne Schaum

160 mm

Stützweite

Kraftniveaus abhängig von Schaumeigenschaften

Mit Wahl der Legierung / Schaumdichte großes Potential für Einflussnahme

bei sehr geringen Massenzunahmen durch lokale Verstärkung


Seite 18

Zusammenfassung und Ausblick

Herstellung von Mg-

Mg-Verbundprofilen

Umformverhalten von

Mg beim Profilieren

Prozessführung

beim Schweißen

von Mg-Rohren

Herstellung lokal

schaumverstärkter Mg-Mg-Profile

Erzeugen der Verstärkung durch

prozessintegriertes Ausschäumen

expandierbarer Halbzeuge

Insbesondere MgSn3 zeigt

geeignetes Aufschäumverhalten

Stabilisierung des

Schäumvorgangs durch

hochschmelzende Phase Mg2Sn

Anisotropie von AZ31-Blechen

beeinflussbar durch

Matrizendesign und Kühlung des

Produkts

Untersuchungsbedarf beim:

- Profilieren (Rückfederung)

- Mg-Profilschweißen

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Bereich Biomedizintechnik und Leichtbau

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