M. Liewald, P. Unseld

Center of Competence for Casting and ThixoforgingKompetenzzentrum Gießen und Thixo-Schmieden

Stuttgart - Aalen

M. Liewald, P. Unseld

Temperatur in °C

Ph

ase

nant

eil

CCT `NOVUS´ Forschungsprojekte

CCT `NOVUS´ Forschungsprojekte

Gruppierung der ForschungsarbeitenGruppierung der Forschungsarbeiten

Max-Planck- Institut

für Metall-

Forschung Stuttgart

Max-Planck-Institutfür

MetallforschungStuttgart

Institut für angewandte Forschung der FH Aalen

Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile

Institut für Umformtechnik

Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen

Kernkompetenzen

Teilbereiche des Forschungsbedarfs

ProdukteigenschaftenWerkzeuge und AnlagenWerkstoffe Verfahren

Arbeitsinhalte der TeilprojekteArbeitsinhalte der Teilprojekte

Werkstoffe:

Teilprojekt: „Qualitätsprüfung von thixotropen und flüssigen Vormaterialien“Teilprojekt: „Qualitätsprüfung von thixotropen und flüssigen Vormaterialien“

• Verbundwerkstofftechnologie:Verbundwerkstofftechnologie:

Untersuchungen zur Herstellung thermisch gespritzter Halbzeuge Untersuchungen zur Herstellung thermisch gespritzter Halbzeuge für faser- und partikelverstärkter MMCsfür faser- und partikelverstärkter MMCs

EigenspannungsanalyseEigenspannungsanalyse

Metallographische Untersuchungen von Vormaterial und BauteilenMetallographische Untersuchungen von Vormaterial und Bauteilen

Lage und Gehalt der VerstärkungskomponentenLage und Gehalt der Verstärkungskomponenten

Grenzflächenuntersuchungen: Faser-Matrix-Interface (LM, REM, TEM)Grenzflächenuntersuchungen: Faser-Matrix-Interface (LM, REM, TEM)

Verifikation thermisch / chemisch induzierter VorgängeVerifikation thermisch / chemisch induzierter Vorgänge

Mechanische Charakterisierung zur Ermittlung statischer und dynamischer Mechanische Charakterisierung zur Ermittlung statischer und dynamischer Kennwerte (Zugversuch, 4-Punkt Biegversuch)Kennwerte (Zugversuch, 4-Punkt Biegversuch)

• Konventionelles Thixo-SchmiedenKonventionelles Thixo-Schmieden

Mikrostrukturelle Charakterisierung von Legierungen, die sich Mikrostrukturelle Charakterisierung von Legierungen, die sich für die Formgebung im teilflüssigen Zustand eignen. für die Formgebung im teilflüssigen Zustand eignen. (LM, REM, TEM, EDX)(LM, REM, TEM, EDX)

Werkstoffe:

Teilprojekt: „Qualitätsprüfung von thixotropen und flüssigen Vormaterialien“Teilprojekt: „Qualitätsprüfung von thixotropen und flüssigen Vormaterialien“

• Verbundwerkstofftechnologie:Verbundwerkstofftechnologie:

Untersuchungen zur Herstellung thermisch gespritzter Halbzeuge Untersuchungen zur Herstellung thermisch gespritzter Halbzeuge für faser- und partikelverstärkter MMCsfür faser- und partikelverstärkter MMCs

EigenspannungsanalyseEigenspannungsanalyse

Metallographische Untersuchungen von Vormaterial und BauteilenMetallographische Untersuchungen von Vormaterial und Bauteilen

Lage und Gehalt der VerstärkungskomponentenLage und Gehalt der Verstärkungskomponenten

Grenzflächenuntersuchungen: Faser-Matrix-Interface (LM, REM, TEM)Grenzflächenuntersuchungen: Faser-Matrix-Interface (LM, REM, TEM)

Verifikation thermisch / chemisch induzierter VorgängeVerifikation thermisch / chemisch induzierter Vorgänge

Mechanische Charakterisierung zur Ermittlung statischer und dynamischer Mechanische Charakterisierung zur Ermittlung statischer und dynamischer Kennwerte (Zugversuch, 4-Punkt Biegversuch)Kennwerte (Zugversuch, 4-Punkt Biegversuch)

• Konventionelles Thixo-SchmiedenKonventionelles Thixo-Schmieden

Mikrostrukturelle Charakterisierung von Legierungen, die sich Mikrostrukturelle Charakterisierung von Legierungen, die sich für die Formgebung im teilflüssigen Zustand eignen. für die Formgebung im teilflüssigen Zustand eignen. (LM, REM, TEM, EDX)(LM, REM, TEM, EDX)


Werkstoffe:

Teilprojekt: „Verbundwerkstofftechnologie - Partikelverstärkung“Teilprojekt: „Verbundwerkstofftechnologie - Partikelverstärkung“

• Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung von partikelverstärkten Metall-Matrix-Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung von partikelverstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch teilflüssige FormgebungVerbundwerkstoffen durch teilflüssige Formgebung

Herstellung von Rohteilbolzen: 30% < VHerstellung von Rohteilbolzen: 30% < VPP << 80%80%

• Erwärmungsversuche zur Ermittlung optimaler ErwärmungskonzepteErwärmungsversuche zur Ermittlung optimaler Erwärmungskonzepte

IR- Erwärmung / Induktive ErwärmungIR- Erwärmung / Induktive Erwärmung

• Untersuchungen zur optimalen WerkzeuggestaltungUntersuchungen zur optimalen Werkzeuggestaltung

KonstruktionKonstruktion

ThermodynamikThermodynamik

• Untersuchungen zur Ermittlung spezifischer Verfahrensparameter während der Formgebung Untersuchungen zur Ermittlung spezifischer Verfahrensparameter während der Formgebung und optionaler Wärmebehandlungsverfahrenund optionaler Wärmebehandlungsverfahren

Werkstoffe:

Teilprojekt: „Verbundwerkstofftechnologie - Partikelverstärkung“Teilprojekt: „Verbundwerkstofftechnologie - Partikelverstärkung“

• Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung von partikelverstärkten Metall-Matrix-Grundlegende Untersuchungen zur Herstellung von partikelverstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch teilflüssige FormgebungVerbundwerkstoffen durch teilflüssige Formgebung

Herstellung von Rohteilbolzen: 30% < VHerstellung von Rohteilbolzen: 30% < VPP << 80%80%

• Erwärmungsversuche zur Ermittlung optimaler ErwärmungskonzepteErwärmungsversuche zur Ermittlung optimaler Erwärmungskonzepte

IR- Erwärmung / Induktive ErwärmungIR- Erwärmung / Induktive Erwärmung






Werkstoffe:

Teilprojekt: „Verbundwerkstofftechnologie - Faserverstärkung“Teilprojekt: „Verbundwerkstofftechnologie - Faserverstärkung“

• Untersuchungen zur Herstellung von faserverstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch Untersuchungen zur Herstellung von faserverstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch teilflüssige Formgebungteilflüssige Formgebung

Herstellung von Bauteilen: VHerstellung von Bauteilen: VF F > > 40%40%

Erweiterung des LegierungsspektrumsErweiterung des Legierungsspektrums

lokale Einbringung der Verstärkungskomponentenlokale Einbringung der Verstärkungskomponenten



Zugvorspannung der VerstärkungskomponentenZugvorspannung der Verstärkungskomponenten



Werkstoffe:

Teilprojekt: „Verbundwerkstofftechnologie - Faserverstärkung“Teilprojekt: „Verbundwerkstofftechnologie - Faserverstärkung“

• Untersuchungen zur Herstellung von faserverstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch Untersuchungen zur Herstellung von faserverstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch teilflüssige Formgebungteilflüssige Formgebung

Herstellung von Bauteilen: VHerstellung von Bauteilen: VF F > > 40%40%

Erweiterung des LegierungsspektrumsErweiterung des Legierungsspektrums

lokale Einbringung der Verstärkungskomponentenlokale Einbringung der Verstärkungskomponenten



Zugvorspannung der VerstärkungskomponentenZugvorspannung der Verstärkungskomponenten




Verfahren:

Teilprojekt: „Sensorkonzept und Erwärmungsregelung für eine verbesserte Teilprojekt: „Sensorkonzept und Erwärmungsregelung für eine verbesserte Prozesssicherheit bei Thixo-Formgebungsprozessen “Prozesssicherheit bei Thixo-Formgebungsprozessen “

• Simulation Wirkwiderstandsänderung Simulation Wirkwiderstandsänderung Stromverlauf im Bereich (Phasenübergang) Stromverlauf im Bereich (Phasenübergang)

• Hochdynamischer Messverfahren zur StrommessungHochdynamischer Messverfahren zur Strommessung

• Integration des entwickelten Messverfahrens zur Bestimmung der Homogenität der Erwärmung Integration des entwickelten Messverfahrens zur Bestimmung der Homogenität der Erwärmung

• Entwicklung von Auswertealgorithmen und deren BewertungEntwicklung von Auswertealgorithmen und deren Bewertung

• Implementierung gewonnener Auswertealgorithmen in die bestehende ErwärmungsregelungImplementierung gewonnener Auswertealgorithmen in die bestehende Erwärmungsregelung

• Ermittlung optimaler SpulenparameterErmittlung optimaler Spulenparameter

• (Aufbau einer Prototypenanalge)(Aufbau einer Prototypenanalge)

Verfahren:

Teilprojekt: „Sensorkonzept und Erwärmungsregelung für eine verbesserte Teilprojekt: „Sensorkonzept und Erwärmungsregelung für eine verbesserte Prozesssicherheit bei Thixo-Formgebungsprozessen “Prozesssicherheit bei Thixo-Formgebungsprozessen “

• Simulation Wirkwiderstandsänderung Simulation Wirkwiderstandsänderung Stromverlauf im Bereich (Phasenübergang) Stromverlauf im Bereich (Phasenübergang)

• Hochdynamischer Messverfahren zur StrommessungHochdynamischer Messverfahren zur Strommessung

• Integration des entwickelten Messverfahrens zur Bestimmung der Homogenität der Erwärmung Integration des entwickelten Messverfahrens zur Bestimmung der Homogenität der Erwärmung

• Entwicklung von Auswertealgorithmen und deren BewertungEntwicklung von Auswertealgorithmen und deren Bewertung

• Implementierung gewonnener Auswertealgorithmen in die bestehende ErwärmungsregelungImplementierung gewonnener Auswertealgorithmen in die bestehende Erwärmungsregelung

• Ermittlung optimaler SpulenparameterErmittlung optimaler Spulenparameter

• (Aufbau einer Prototypenanalge)(Aufbau einer Prototypenanalge)

0.0ms 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms

-80V

-40V

0V

40V

80V

-1.2KA

-0.8KA

-0.4KA

0.0KA

0.4KA

0.8KA

1.2KA

U IZeit

12

R+

Spe

z. W

id.

[m

]

1

2

3

T[°C]200 400 600

Solidus Liquidus


Verfahren:

Teilprojekt: „Rheologie thixotroper Legierungen“Teilprojekt: „Rheologie thixotroper Legierungen“

• Untersuchungen rheologischer Eigenschaften von Legierungen, die sich für die Formgebung Untersuchungen rheologischer Eigenschaften von Legierungen, die sich für die Formgebung im teilflüssigen Zustand eignen:im teilflüssigen Zustand eignen:

Oszillations- / RotationsrheometrieOszillations- / Rotationsrheometrie

Verlust-, SpeichermodulVerlust-, Speichermodul

• Untersuchungen rheologischer Eigenschaften faser- und partikelverstärkten Untersuchungen rheologischer Eigenschaften faser- und partikelverstärkten VerbundwerkstoffenVerbundwerkstoffen


• Ermittlung charakteristischer ParameterErmittlung charakteristischer Parameter

Formfaktor, Kontiguität / Kontiguitätsvolumen, KorngrößeFormfaktor, Kontiguität / Kontiguitätsvolumen, Korngröße

Verfahren:

Teilprojekt: „Rheologie thixotroper Legierungen“Teilprojekt: „Rheologie thixotroper Legierungen“

• Untersuchungen rheologischer Eigenschaften von Legierungen, die sich für die Formgebung Untersuchungen rheologischer Eigenschaften von Legierungen, die sich für die Formgebung im teilflüssigen Zustand eignen:im teilflüssigen Zustand eignen:


Verlust-, SpeichermodulVerlust-, Speichermodul

• Untersuchungen rheologischer Eigenschaften faser- und partikelverstärkten Untersuchungen rheologischer Eigenschaften faser- und partikelverstärkten VerbundwerkstoffenVerbundwerkstoffen


• Ermittlung charakteristischer ParameterErmittlung charakteristischer Parameter

Formfaktor, Kontiguität / Kontiguitätsvolumen, KorngrößeFormfaktor, Kontiguität / Kontiguitätsvolumen, Korngröße

0 0... ..., / ,

x xapp t t N t tf F W

0 0... ..., , , /

x xapp t t t t F Pf W V V


Verfahren:

Teilprojekt: „Gekoppelte Simulation für Semi-Solid Formgebungsverfahren“Teilprojekt: „Gekoppelte Simulation für Semi-Solid Formgebungsverfahren“

• Verifikation grundlegender CFD-Modelle:Verifikation grundlegender CFD-Modelle:

Mehrphasenströmung: Euler-Euler / Euler-LangrangeMehrphasenströmung: Euler-Euler / Euler-Langrange

Modelle zur Abbildung der WärmeübergangsModelle zur Abbildung der Wärmeübergangs

Modelle zur Abbildung der Fluidinteraktion: Free-Surface-Model, …Modelle zur Abbildung der Fluidinteraktion: Free-Surface-Model, …

• Implementierung rheologischer und strukturkinematischer Parameter in ANSYS CFXImplementierung rheologischer und strukturkinematischer Parameter in ANSYS CFX

Gleichungen zur Beschreibung der ViskositätsevolutionGleichungen zur Beschreibung der Viskositätsevolution

Analytische Abbildung des Flüssigphasenverlaufs Analytische Abbildung des Flüssigphasenverlaufs (konventionelle Legierungen, Verbundwerkstoffe)(konventionelle Legierungen, Verbundwerkstoffe)

• Simulation gekoppelter Strömungsvorgänge (Fluid Structural Interaction)Simulation gekoppelter Strömungsvorgänge (Fluid Structural Interaction)

Verfahren:

Teilprojekt: „Gekoppelte Simulation für Semi-Solid Formgebungsverfahren“Teilprojekt: „Gekoppelte Simulation für Semi-Solid Formgebungsverfahren“

• Verifikation grundlegender CFD-Modelle:Verifikation grundlegender CFD-Modelle:

Mehrphasenströmung: Euler-Euler / Euler-LangrangeMehrphasenströmung: Euler-Euler / Euler-Langrange

Modelle zur Abbildung der WärmeübergangsModelle zur Abbildung der Wärmeübergangs

Modelle zur Abbildung der Fluidinteraktion: Free-Surface-Model, …Modelle zur Abbildung der Fluidinteraktion: Free-Surface-Model, …

• Implementierung rheologischer und strukturkinematischer Parameter in ANSYS CFXImplementierung rheologischer und strukturkinematischer Parameter in ANSYS CFX

Gleichungen zur Beschreibung der ViskositätsevolutionGleichungen zur Beschreibung der Viskositätsevolution

Analytische Abbildung des Flüssigphasenverlaufs Analytische Abbildung des Flüssigphasenverlaufs (konventionelle Legierungen, Verbundwerkstoffe)(konventionelle Legierungen, Verbundwerkstoffe)

• Simulation gekoppelter Strömungsvorgänge (Fluid Structural Interaction)Simulation gekoppelter Strömungsvorgänge (Fluid Structural Interaction)

0 0... ..., , , /

x xapp t t t t F Pf W V V


Verfahren:

Teilprojekt: „Ausarbeitung von Konstruktionsrichtlinien für Thixo-Schmiede und Teilprojekt: „Ausarbeitung von Konstruktionsrichtlinien für Thixo-Schmiede und Gießschmiedewerkzeuge“Gießschmiedewerkzeuge“

• Untersuchungen zur optimalen Auslegung von Thixo-Schmiede zur Herstellung von flächigen Untersuchungen zur optimalen Auslegung von Thixo-Schmiede zur Herstellung von flächigen BauteilenBauteilen

Geometrische + thermische Auslegung des Vereinigungsbereichs geteilter Geometrische + thermische Auslegung des Vereinigungsbereichs geteilter MaterialströmeMaterialströme

• Untersuchungen zur optimalen Auslegung von Gieß-SchmiedewerkzeugenUntersuchungen zur optimalen Auslegung von Gieß-Schmiedewerkzeugen

Konstruktiv: Formgebung, Entlüftung, SpeisungKonstruktiv: Formgebung, Entlüftung, Speisung

Wärmebilanzbetrachtung: Wärmebilanzbetrachtung:

Zugeführte Energie Zugeführte Energie

Abgeführte EnergieAbgeführte Energie

• Konvektion (Formfüllung, Trennmittelauftrag, …) Konvektion (Formfüllung, Trennmittelauftrag, …)

• WärmestrahlungWärmestrahlung

• Konduktion (Werkzeugtemperierung)Konduktion (Werkzeugtemperierung)

Verfahren:

Teilprojekt: „Ausarbeitung von Konstruktionsrichtlinien für Thixo-Schmiede und Teilprojekt: „Ausarbeitung von Konstruktionsrichtlinien für Thixo-Schmiede und Gießschmiedewerkzeuge“Gießschmiedewerkzeuge“

• Untersuchungen zur optimalen Auslegung von Thixo-Schmiede zur Herstellung von flächigen Untersuchungen zur optimalen Auslegung von Thixo-Schmiede zur Herstellung von flächigen BauteilenBauteilen

Geometrische + thermische Auslegung des Vereinigungsbereichs geteilter Geometrische + thermische Auslegung des Vereinigungsbereichs geteilter MaterialströmeMaterialströme

• Untersuchungen zur optimalen Auslegung von Gieß-SchmiedewerkzeugenUntersuchungen zur optimalen Auslegung von Gieß-Schmiedewerkzeugen

Konstruktiv: Formgebung, Entlüftung, SpeisungKonstruktiv: Formgebung, Entlüftung, Speisung

Wärmebilanzbetrachtung: Wärmebilanzbetrachtung:

Zugeführte Energie Zugeführte Energie

Abgeführte EnergieAbgeführte Energie

• Konvektion (Formfüllung, Trennmittelauftrag, …) Konvektion (Formfüllung, Trennmittelauftrag, …)

• WärmestrahlungWärmestrahlung

• Konduktion (Werkzeugtemperierung)Konduktion (Werkzeugtemperierung)


Produkteigenschaften:

Teilprojekt: „Hochintegrale Bauteile“Teilprojekt: „Hochintegrale Bauteile“

• Konstruktive Optimierung von Druckguss- und Gieß-SchmiedewerkzeugenKonstruktive Optimierung von Druckguss- und Gieß-Schmiedewerkzeugen

Verifizierung des EntlüftungsverhaltensVerifizierung des Entlüftungsverhaltens

Fließlängenberechnung in dünnwandigen Bauteilstrukturen bei hohen Fließlängenberechnung in dünnwandigen Bauteilstrukturen bei hohen FormtemperaturenFormtemperaturen

Erstarrungsverhalten von Druckgusslegierungen im Nichtgleichgewichtszustand Erstarrungsverhalten von Druckgusslegierungen im Nichtgleichgewichtszustand und und unter Bewegungunter Bewegung

Optimierung des Speisungsverhaltens von DruckgusskomponentenOptimierung des Speisungsverhaltens von Druckgusskomponenten

• Herstellung hochintegraler partikelverstärkter BauteileHerstellung hochintegraler partikelverstärkter Bauteile

Anpassung von Anpassung von Gießkammern, Gießsysteme und Gießläufe an eine teilflüssige Gießkammern, Gießsysteme und Gießläufe an eine teilflüssige Verarbeitung mit veränderten RohteileigenschaftenVerarbeitung mit veränderten Rohteileigenschaften

Produkteigenschaften:

Teilprojekt: „Hochintegrale Bauteile“Teilprojekt: „Hochintegrale Bauteile“

• Konstruktive Optimierung von Druckguss- und Gieß-SchmiedewerkzeugenKonstruktive Optimierung von Druckguss- und Gieß-Schmiedewerkzeugen

Verifizierung des EntlüftungsverhaltensVerifizierung des Entlüftungsverhaltens

Fließlängenberechnung in dünnwandigen Bauteilstrukturen bei hohen Fließlängenberechnung in dünnwandigen Bauteilstrukturen bei hohen FormtemperaturenFormtemperaturen

Erstarrungsverhalten von Druckgusslegierungen im Nichtgleichgewichtszustand Erstarrungsverhalten von Druckgusslegierungen im Nichtgleichgewichtszustand und und unter Bewegungunter Bewegung

Optimierung des Speisungsverhaltens von DruckgusskomponentenOptimierung des Speisungsverhaltens von Druckgusskomponenten

• Herstellung hochintegraler partikelverstärkter BauteileHerstellung hochintegraler partikelverstärkter Bauteile

Anpassung von Anpassung von Gießkammern, Gießsysteme und Gießläufe an eine teilflüssige Gießkammern, Gießsysteme und Gießläufe an eine teilflüssige Verarbeitung mit veränderten RohteileigenschaftenVerarbeitung mit veränderten Rohteileigenschaften

Mechanische Eigenschaften

101 100 98

204 202

121 121 119

222217213

193

5,1 5,1 5,15,8

6,4

4,2

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

1 2 3 4 5 6

Fes

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a

0

5

10

15

20

25

Bru

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n %

Rp0,2 Rm ADruckguss-Proben Thixo-Proben

1 2 3 1 2 3

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5

Zeit in s

Te

mp

era

tur

in °

C

Temperatur-Thixogießen Temperatur-Druckgießen

0,57 s

0,30 s

Qualitätsprüfung von thixotropen und flüssigen

Vormaterialien

Legierungsentwicklungen für das Verfahren des Semi-Solid-

Formings

Rheologie thixotroper Legierung

Alternative Verfahrenskonzepte

*

0

12 2*

0 1

exp

exp

n

ij ij

Ta c

T b

Ta c e e

T b

Keramikeinsatz in Werkzeugen zur Warmformgebung

Sensorkonzepte und Prozessregelung zur

induktiven Erwärmung von Metalllegierungen

Optimierte Bauteileigenschaften durch

thermomechanische Behandlung

0

50

100

150

200

250

0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 0.050 0.060 0.070 0.080 0.090 0.100

Dehnung / m/m

Sp

ann

un

g /M

Pa

Zugversuch vor Auslagerung

Zugversuch nach Auslagerung

Simulation vor Auslagerung

Simulation nach Auslagerung

Linear

Leichtbau durch den Einsatz von MMC-

Werkstoffen

Ausarbeitung von Konstruktionsrichtlinien für Thixo-Schmiede und Gieß-

Schmiedewerkzeuge

Synergie und Dialog im CCTSynergie und Dialog im CCT

IFKBIFKB

Universität StuttgartUniversität StuttgartUniversität StuttgartUniversität Stuttgart

Max-Planck-GesellschaftMax-Planck-GesellschaftMax-Planck-GesellschaftMax-Planck-Gesellschaft

FH AalenFH AalenFH AalenFH Aalen

Center of Competence for Casting and ThixoforgingKompetenzzentrum Gießen und Thixo-Schmieden

Stuttgart - Aalen







Max-Planck Institut für Metallforschung

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