Kai Kittner

Integrativer Modellansatz bei der Co-Extrusion von Aluminium-Magnesium-Werkstoffverbunden

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Kurzfassung in Deutsch

Es wurde ein hydrostatischer Verbundstrangpressprozess analysiert, bei dem das Kernmaterial aus Magnesium und das Mantelmaterial aus Aluminium besteht. Ausgehend von der Problematik, dass die Verbunde eine starke Vorschädigung in Form von Rissen im Bereich der Grenzschicht zwischen den Verbundpartner aufwiesen, wurde der Prozess analysiert. Mit Hilfe der numerischen FEM-Simulation wurde ein Berechnungsmodell aufgebaut, anhand dessen der Prozess detailliert und maßgeblich hinsichtlich der wirkenden Spannungen und auftretenden Dehnungen untersucht wurde. Es wurden die Größen Kontaktschubspannung und axiale Umformgraddifferenz identifiziert, die einen Zusammenhang aufzeigten zwischen ihrer Änderung und der aufgetretenen Qualität im Strang. Für eine verbesserte Aussagequalität und bedingt durch die vielen Wechselwirkungen der beeinflussenden Parameter im Prozess wurde die Methode der statistischen Versuchsplanung (DoE) hinzugezogen. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde der Prozess optimiert, in dem die Matrizengeometrie als ein beeinflussender Parameter angepasst worden ist, so dass ein gleichmäßigerer Werkstofffluss gewährleistet und die Strangqualität verbessert werden konnte. Im Folgenden wurde ein integratives, empirisches Verbundstrangpressmodell entwickelt, das es ermöglicht, die Verbundqualität, die Verbundfestigkeit und die Dicke der sich ausbildenden Grenzschicht zu berechnen.

Kurzfassung in Englisch

A compound made of aluminum (sleeve material) and magnesium (core material) was analyzed. The compound was built up in a hydrostatic co-extrusion process. First investigations showed damage (cracks) in the interface between the aluminum and the magnesium. Regarding the damage an optimization of the process was necessary. The FEM simulation was used to analyze the process. The focus of the analysis was the stresses and strains in the forming zone. A first result was that high contact shear stresses occurred in the interface. These stresses damaged the interface. Further investigations showed big strain differences between both of the materials. These differences caused in the different flow behaviour (yield stresses) of both materials. A better understanding was reached by a design of experiment (doe). This analysis showed the interactions between the different parameters and the influence of the parameters itself. Parameters with a big influence on the compound quality are the yield stresses, the die design, the friction and the billet design. The first result was an improvement of the compound quality by changing the die design. Therefore, an impeccable compound quality could be reached. Furthermore the results of analysis lead to an embracing empirical compound extrusion model. This consists of three single models. The first model was the quality model. This model allows to predict the compound quality with respect to the big influencing parameters. The second model was a bond strength model. This model gives the possibility to compute the strength of the interface. And at last the third model was the diffusion model. The embracing compound extrusion model allows to make a statement about the compound quality and strength before any real trials are carried out.

weitere Metadaten

Erschienen in Berichte aus der Virtuellen Fertigungstechnik
übersetzter Titel
(Englisch)
An integrative approach for co-extrusion of aluminum-magnesium-compounds
Titel der Schriftenreihe
(Deutsch)
Berichte aus der Virtuellen Fertigungstechnik ; 9
Schlagwörter
(Deutsch)
Aluminium, Magnesium, Verbund, Verbundstrangpressen, Co-Extrusion, Strangpressen, Simulation, Schädigung, Haftfestigkeit, Qualitätsmodell
Schlagwörter
(Englisch)
aluminum, magnesium, compound, co-extrusion process, extrusion process, damage, bond strength, simulation, quality model
SWD SchlagworteVerbund , Simulation , Adhäsion , Aluminium , Magnesium , Strangpressen , Grenzschicht
DDC Klassifikation629
Institution(en) 
HochschuleTU Chemnitz
FakultätFakultät für Maschinenbau
ProfessurVirtuelle Fertigungstechnik
BetreuerProf. Dr.-Ing. habil. Birgit Awiszus
GutachterProf. Dr.-Ing. habil. Birgit Awiszus
Prof. Dr.-Ing. habil. Erman Tekkaya
DokumententypDissertation
SpracheDeutsch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)19.12.2011
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung11.05.2012
Veröffentlichungsdatum (online)03.05.2013
persistente URNurn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-112923
InhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis V
Vorwort VII
Einleitung 1
1 Stand der Technik 3
1.1 Allgemeines, Historische Entwicklung und Einteilung des Strangpressens 3
1.2 Wissenschaftliche Arbeiten auf dem Gebiet des Verbundstrangpressens, der Schädigung und der Haftfestigkeit 9
1.2.1 Prozess - Verbundstrangpressen 11
1.2.2 Schädigung 21
1.2.3 Haftfestigkeitsmodelle 28
1.3 Schlussfolgerung aus dem Stand der Technik 33
1.4 Zielsetzung und Struktur der Arbeit 35
2 Experimentelle Untersuchungen- Strangpressversuche 38
2.1 Ergebnisse der Pressversuche - Projektphase I 43
2.2 Ergebnisse der Projektphase II 52
2.3 Ergebnisse der Projektphase III 54
2.4 Besonderheiten, Oberflächenqualität, Verfahrenscharakteristika 56
3 Numerische Untersuchungen 64
3.1 Numerische Modellbildung 64
3.1.1 Materialbeschreibung/Fließkurven 66
3.1.2 Thermische Modellbildung 70
3.2 Ergebnisse der numerischen Analyse für das hydrostatische Strangpressen 81
3.2.1 Ermittlung einer indikativen Schädigungsgröße innerhalb der Simulation 91
3.2.2 Einfaktorielle Variationsrechnungen 95
3.3 Statistische Versuchsplanung und Analyse 103
3.3.1 Allgemeines und Versuchsplanung 103
3.3.2 Auswertung Versuchskern und erweiterter Versuchsplan 107
3.3.3 Fehleranalyse zu Versuchsplanergebnissen 113
3.4 Axiale Umformgraddifferenz als Indikatorgröße für die Schädigung 120
3.4.1 Volumenstromanalyse 128
3.4.2 Statistische Analyse hinsichtlich der Zielgröße axiale Dehnungsdifferenz 133
4 Integrativer Modellansatz zur Bestimmung qualitativer und quantitativer Merkmale des Verbundes 138
4.1 Allgemeines 138
4.2 Qualitätsmodell 139
4.2.1 Diskussion 139
4.2.2 Qualitätsmodell - Modellformulierung 145
4.3 Haftfestigkeitsmodell 155
4.4 Diffusionsmodell 163
5 Zusammenfassung 170
6 Ausblick 172
7 Quellen 174
Abbildungsverzeichnis IX
Tabellenverzeichnis XV
Kurzzeichenverzeichnis XVI
Abkürzungsverzeichnis XIX

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