Das Projekt "Teilvorhaben: Untersuchung der thermomechanischen Vorgänge beim Kollisionsschweißen zur Weiterentwicklung des Technologieverständnisses zur Qualifizierung des Verfahrens für den Einsatz in Leichtbaustrukturen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Darmstadt, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen durchgeführt. Ziel des Vorhabens 'Design2Collide' ist es, das elektromagnetische Pulsschweißen zur Anwendungsreife für lasttragende Strukturkomponenten zu bringen. Dabei werden insbesondere Fügeverbindungen zwischen hochfesten Aluminium- und Stahllegierungen (6xxx, 7xxx, DP8xx+…) angestrebt, die derzeit nicht oder nur unzureichend robust mit anderen Verfahren gefügt werden können. Mit einem Konsortium aus Expert:innen aller Wertschöpfungsschritte industrieller Prozessketten sowie zwei langjährig an der Erforschung des Kollisionsschweißens beteiligten Hochschulen werden vorhandene Wissenslücken zu den Vorgängen beim hochdynamischen Aufprall hoch- und höchstfester Legierungen, den Einflüssen der konstruktiven Produktgestalt, den Merkmalen einer automatisierten Produktion, vor- und nachgelagerten Prozessen sowie den Belastungsszenarien im Produkteinsatz durch systematische Variationen der Einflussparameter in experimentellen, analytischen sowie numerischen Untersuchungen geschlossen. Um Anwender:innen den Zugang zur Technologie zu vereinfachen und so den Einsatz leistungsfähiger Legierungen im Mischbau überhaupt erst zu ermöglichen, liegt ein Fokus auf der Beschleunigung und Effizienzsteigerung der Produkt- und Prozessgestaltung. Dies wird durch die Schaffung eines prozessübergreifenden, digitalen Zwillings sowie erweiterter numerischer Modelle auf Basis neuer, leistungsfähigerer Materialmodelle ermöglicht. Zudem sind als Ergebnis der Forschungsarbeiten umfangreiche, industrietaugliche Gestaltungskataloge und -richtlinien zur Produkt- und Prozessauslegung für verschiedene Lastfälle und -kollektive, Geometrien, Fügepartner, Prozessketten und Einsatzgebiete geplant. Um die Praxisnähe der abzubildenden Gestaltungsansätze sicherzustellen, wird auf die Expertise industrieller Anwender:innen zurückgegriffen, die in einem branchenübergreifenden Anwender:innen-Kreis gebündelt, die Anforderungen einbringen, Vorgehen und Ergebnisse freigeben und die Methoden validieren.
Das Projekt "Teilprojekt 3: Untersuchung der Lauwarmumformbarkeit geschmiedeter und gezielt aus der Schmiedehitze wärmebehandelter Werkstücke" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Umformtechnik durchgeführt. Problemstellung: Bei der Herstellung von typischen Serienteilen von Kraftfahrzeugen wie z.B. Achsschenkeln oder Getriebewellen durch Verfahren der Massivumformung und anschließendem Zerspanen entfallen ca. 40-70 Prozent der gesamten Stückkosten auf die mechanische Nachbearbeitung. Oben angedeutetes Potential liegt gerade bei heutzutage immer stärker nachgefragten Hochleistungsbauteilen zum einen in der technologischen Verbesserung spanabhebender Fertigungsverfahren selbst und zum anderen in der Minimierung der kostenintensiven Zerspanung. Die Kombination aus Warm- und Kaltformgebung ist in modernen Schmiedebetrieben bereits Stand der Technik und ermöglicht die Herstellung technisch anspruchsvoller Bauteile mit geringer spanender Nacharbeit. Es sind Bauteile mit verbesserten Maß- und Formgenauigkeiten als durch alleinige Warmumformung herstellbar. Durch die Kaltumformung lassen sich darüber hinaus weitere funktionelle Bauteileigenschaften verbessern, die gerade heutzutage Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten sind. Die Verfahrensgrenze einer dem Schmiedeprozess nachgeschalteten Kaltumformung wird häufig durch die mechanischen Werkzeugbelastungen aufgrund der hohen und durch Entwicklung neuartiger Stahlgüten immer höher werdenden Werkstofffestigkeiten festgelegt. In modernen Schmiedeprozessketten findet aus energetischen und damit wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten eine Wärmebehandlung zur Einstellung bestimmter Werkstoffeigenschaften direkt aus der Schmiedehitze statt. Die letzte Wärmebehandlungsstufe entspricht bei modernen Legierungskonzepten einer isothermen Haltestufe zur ferritisch-perlitischen oder auch bainitischen Gefügeumwandlung. Neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Sensorik ermöglichen eine intelligente thermomechanische Prozessführung aus Schmieden und definierter Wärmebehandlung direkt aus der Schmiedehitze, wie sie im Rahmen der AiF-Leittechnologie 'Schmieden 2020 - Ressourceneffiziente Prozessketten für Hochleistungsbauteile' entwickelt werden soll. Die ganzheitliche Prozessbetrachtung zeigt, dass in thermomechanisch behandelten Werkstücken nicht nur gezielt funktionelles Gebrauchsgefüge, sondern auch auf eine weitere Verarbeitung (z.B. durch Umformung) technologisch optimierte Verarbeitungsgefüge eingestellt werden könnten. Es fehlt jedoch an wissenschaftlichen Erkenntnissen über günstige Gefügezustände für eine anschließende Kaltumformung oder eine Lauwarmumformung aus der Schmiedehitze im technologischen und funktionellen Sinn. Dies gilt erst recht für mikrolegierte ausscheidungshärtende ferritisch-perlitische und hochfeste duktile bainitische Hochleistungsstähle. Das Potential der Lauwarmumformung im Temperaturbereich zwischen Kaltumformung und industrieller Halbwarmumformung typischer Fließpressstähle an sich, konnte durch neuere Forschungsarbeiten am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart bereits aufgezeigt werden. usw.
Das Projekt "Teilprojekt 5: Sensorkontrollierte Umwandlung aus der Schmiedehitze" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Werkstoffkunde durchgeführt. Motivation: Moderne Hochleistungsbauteile erfordern die gezielte Einstellung von Bauteileigenschaften, entsprechend dem Beanspruchungsprofil, in effizienten Prozessketten bei kostengünstiger Fertigung. Forschungsziele: Durch die Entwicklung einer neuen Sensortechnik, die das Werkstoff- Umwandlungsverhalten erfasst, kann die Phasen- und Gefügeentwicklung in der Abkühlphase direkt verfolgt und gesteuert werden. Damit ergeben sich nach erfolgter thermomechanischer Bearbeitung neue Möglichkeiten zur gezielten Einstellung von Gefügen direkt aus der Schmiedewärme und damit von Bauteileigenschaften, wie diese bei Hochleistungsbauteilen gefordert werden - Sensorkontrollierte Werkstoffumwandlung aus der Schmiedewärme - Gezielte Einstellung von Phasenanteilen und Gefügen in der Abkühlphase - Qualitätssicherung der Bauteileigenschaften von Hochleistungsbauteilen in verkürzten Schmiedelinien bei kostengünstiger Fertigung. Lösungsansatz: - Sensorkontrollierte Umwandlung - Entwicklung und Erprobung einer zerstörungsfreien Sensor-Prüftechnik zur Inline-Erfassung des Werkstoff-Umwandlungsverhaltens - Klassifizierung der Phasen- und Gefügeanteile (Restaustenit, Bainit, Martensit, ...) - Steuerung der Phasenentwicklung und Gefügeausbildung in der Abkühlphase - Gezielte Einstellung von beanspruchungsgerechten, bainitischen Mehrphasen-Gefügen in Hochleistungsbauteilen. Messprinzip: - Wirbelstromtechnik - Online Werkstoffcharakterisierung - Mehrparameterprüfung. Differenzierte Betrachtung von Kern- und Randzoneneigenschaften - Fourieranalyse / Harmonischen Messwerte. Erfassung von Umwandlungsabläufen - Impedanzverhalten der Harmonischen - Identifizierung von Umwandlungsmechanismen - Quantifizierung von Gefügeanteilen. Sensorik: - Bainitsensor-Prüftechnik - Robust - Temperaturbeständig größer als 400 C - Berührungslose Messung - Quantifizierung des Bainit-Anteils. Voruntersuchungen: - Umwandlungsverhalten.
Das Projekt "Teilprojekt 2: Experimentelle und numerische Untersuchungen zur kontrollierten Wärmebehandlung hochbeanspruchter Stahlschmiedebauteile aus der Schmiedewärme" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen durchgeführt. Motivation: Die konventionelle Herstellung hochbelasteter Bauteile ist durch eine relativ lange Prozesskette gekennzeichnet. Mittels einer prozessintegrierten Wärmebehandlung aus der Schmiedewärme können sowohl die Wirtschaftlichkeit produzierender Unternehmen als auch die Energieeffizienz erhöht werden. Das Zwischenstufengefüge Bainit kombiniert hohe Festigkeit mit verbesserter Zähigkeit. - Verbesserung der mechanischen Bauteileigenschaften - Verkürzung der Prozesskette - Berücksichtigung der umformbedingten Korngrößenänderung und abkühlungsbedingten Gefügeentwicklung im Schmiedebauteil bereits während der Prozessauslegung - FE-basierte Vorhersage des durch die Wärmebehandlung hervorgerufenen Verzugs im Bauteil. Zielsetzung und Vorgehensweise: - Programmtechnische Erweiterung kommerzieller FE-Systeme durch Einbindung von Unterroutinen - Die Unterprogramme basieren auf physikalischen empirischen Modellen zur Berechnung des Umformverhaltens, der zeitlich und lokal ausbildenden Gefüge- und Kornstruktur sowie des Aufkohlungsverhaltens - Numerische und experimentelle Untersuchungen an den zwei Modellgeometrien 'Abgesetzte Welle' und 'Railbauteil' - Untersuchung von Stählen mit unterschiedlichem Ausgangs- und Zielgefüge - Einsatzstahl - AFP-Stahl - HDB-Stahl. Experimentelle Untersuchungen: FE-gestützte Prozessentwicklung und Werkzeugauslegung - Reproduzierbare Versuchsergebnisse durch automatisierten Schmiedeprozess - Gezielte Prozessführung mit thermischer Überwachung zur Einstellung der Zielgefüge - Beurteilung der Bauteilqualität hinsichtlich Maßhaltigkeit mittels einer 3D-Koordinatenmessmaschine - Metallographische Untersuchungen der Fertigteile zur Beurteilung der umformtechnisch eingebrachten Kornfeinung - Untersuchung des Verzugverhaltens. Numerische Untersuchungen. Berechnung der diffusionsgesteuerten und diffusionslosen Gefügeumwandlung während des Abkühlvorgangs - Berechnung des abkühlvorgangsbedingten Bauteilverzugs durch Berücksichtigung umwandlungsplastischer und umwandlungsbedingter Dehnungsanteile - Bestimmung der Korngrößenverteilung infolge statischer und dynamischer Rekristallisation - Lückenlose numerische Abbildung von Schmiedeprozessketten (Erwärmen, Schmieden, Abkühlen) unter Berücksichtigung gefügeevolutionsbedingter Veränderungen der Bauteileigenschaften.
Das Projekt "Brennstabverhalten im Betrieb und bei Störfällen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH durchgeführt. Das Gesamtziel ist die Methodenentwicklung zur Beschreibung des thermo-mechanischen Brennstabverhaltens bei Reaktivitäts- und Kühlmittelverluststörfällen (RIA und LOCA) und dem Lastfolgebetrieb (LFB). Die Methoden dienen der Brennstabintegritäts-Bewertung während des Betriebs und bei Störfällen. Die derzeit verfügbaren Methoden berücksichtigen die aktuellen, an die Brennstäbe gestellten, Anforderungen nicht im ausreichenden Maße. Hierzu zählen erhöhte Brennstoffabbrände, neue Beladeschemen, der verstärke Einsatz von Mischoxid-Brennstoff (MOX) und häufigere Leistungsänderungen. Sie dienen zur Erweiterung des GRS-Brennstab-Codes TESPA-ROD, der dann auch unter den neuen Bedingungen zur Beurteilung genutzt werden kann. Dieses Vorhaben baut auf den Erkenntnissen des Vorhabens RS1518 auf.
Das Projekt "Teilprojekt 5: Charakterisierung der Wirk- und Degradationsmechanismen von Wasserstoffsensoren (WiDeSen)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen durchgeführt. Zielstellung des Teilvorhabens ist es, mittels hochauflösender Materialanalyse zur Entwicklung und Auswahl geeigneter gassensitiver Schichten für neuartige im Verbundvorhaben zu entwickelnde Wasserstoffsensoren beizutragen. Dazu sollen Wirkmechanismen der Wasserstoffversprödung und des Hysterese- und Driftverhaltens erforscht werden. Weitere Ziele liegen in der qualitätsgerechten Auslegung der Sensorbauteile für die Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen ermittelt und geeignete Aufbau- und Verbindungstechniken abgeleitet werden. Dazu werden Materialgesetze für Simulationsmodelle zur Analyse der thermo-mechanischen Beanspruchung der Komponenten bereitgestellt und weiterentwickelt. Mit begleitender Materialdiagnostik werden die Detailprozesse der angestrebten Aufbau- und Verbindungstechnologie technologisch und werkstoffphysikalisch bewertet, Materialwechselwirkungen sowie Prozessparametereinflüsse aufgezeigt und die Prozessoptimierung durch begleitende Fehlerdiagnostik unterstützt. Die Arbeiten am Fraunhofer IMWS konzentrieren sich auf die Entwicklung und Anwendung höchstauflösender Mikrostrukturanalytik und komplexer Fehlerdiagnostik zur Charakterisierung der Sensorschichten und des Bauteilverhaltens. Die Entwicklung der gassensitiven Schichten wird durch die Aufklärung von Wirk- und Alterungsmechanismen unterstützt. Dazu werden mikrostrukturelle Eigenschaften der gassensitiven Schichten, Stapelstrukturen, Keramiken bzw. Fasern ermittelt, die Wirksamkeit von Diffusionssperren untersucht und Beschichtungstechnologien (Dünn- und Dickschichttechnik) entsprechend bewertet. Zur Analyse der thermo-mechanischen Beanspruchung der Sensorkomponenten werden Finite Elemente Modelle entwickelt und geeignete Material- und Designparameter abgeleitet. Unter Einsatz komplexer Fehlerdiagnostik werden prozessbedingte Fehler und Degradationsmechanismen an Bauteilen nach der Fertigung und nach durchgeführten Feldtests aufgeklärt.
Das Projekt "Teilvorhaben: Phasensimulation der 2-phasigen Kornstrukturentwicklung zur Analyse von Degradationsmechanismen und Wirkungszusammenhängen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), IEK-1: Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren durchgeführt. In KerSOLife100 wird durch ein Konsortium aus Industrie- und Wissenschaftspartnern ein innovatives, vollkeramisches SOFC-Zellkonzept für kosteneffiziente Stromerzeuger, welches ein hohes Potential besitzt, die zukünftigen Marktanforderungen bzgl. Lebensdauer und Kosten zu erfüllen, erforscht. Zur Umsetzung des neuartigen Zellkonzepts in wettbewerbsfähige Produkte ist eine Optimierung hinsichtlich Materialien und elektrochemischer Leistung auf Basis eines tiefgreifenden wissenschaftlichen Verständnisses der elektrochemischen und thermomechanischen Alterungsphänomene und Schädigungsmechanismen erforderlich. In diesem Projekt sollen das Langzeitverhalten des neuen vollkeramischen SOFC-Konzepts umfassend erforscht sowie kritische Degradationsmechanismen identifiziert und modellhaft beschrieben werden. Auf Basis kombinierter experimenteller und simulierter Erkenntnisse werden Abhilfemaßnahmen auf Material- und Prozessebene abgeleitet, die in Modellzellen umgesetzt und erprobt werden. Des Weiteren soll auf Basis dieser Erkenntnisse eine Methodik zur beschleunigten Erprobung entwickelt werden, um zu verständnisbasierten, verkürzten Optimierungszyklen zu gelangen.
Das Projekt "Teilvorhaben: Analyse der mikrostrukturellen Degradation bei SOFC_Brennstoffzellen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RJL Micro und Analytic Bernhard E. Heneka GmbH, Gesellschaft für angewandte Elektronenmikroskopie und Analytik durchgeführt. In KerSOLife100 wird durch ein Konsortium aus Industrie- und Wissenschaftspartnern ein innovatives, vollkeramisches SOFC-Zellkonzept für kosteneffiziente Stromerzeuger, welches ein hohes Potential besitzt, die zukünftigen Marktanforderungen bzgl. Lebensdauer und Kosten zu erfüllen, erforscht. Zur Umsetzung des neuartigen Zellkonzepts in wettbewerbsfähige Produkte ist eine Optimierung hinsichtlich Materialien und elektrochemischer Leistung auf Basis eines tiefgreifenden wissenschaftlichen Verständnisses der elektrochemischen und thermomechanischen Alterungsphänomene und Schädigungsmechanismen erforderlich. In diesem Projekt sollen das Langzeitverhalten des neuen vollkeramischen SOFC-Konzepts umfassend erforscht sowie kritische Degradationsmechanismen identifiziert und modellhaft beschrieben werden. Auf Basis kombinierter experimenteller und simulierter Erkenntnisse werden Abhilfemaßnahmen auf Material- und Prozessebene abgeleitet, die in Modellzellen umgesetzt und erprobt werden. Des Weiteren soll auf Basis dieser Erkenntnisse eine Methodik zur beschleunigten Erprobung entwickelt werden, um zu verständnisbasierten, verkürzten Optimierungszyklen zu gelangen.
Das Projekt "Teilvorhaben: Elektrochemische und mikroskopische Analyse der Zellenalterung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft, Institute of Materials and Processes (IMP) durchgeführt. In KerSOLife100 wird durch ein Konsortium aus Industrie- und Wissenschaftspartnern ein innovatives, vollkeramisches SOFC-Zellkonzept für kosteneffiziente Stromerzeuger, welches ein hohes Potential besitzt, die zukünftigen Marktanforderungen bzgl. Lebensdauer und Kosten zu erfüllen, erforscht. Zur Umsetzung des neuartigen Zellkonzepts in wettbewerbsfähige Produkte ist eine Optimierung hinsichtlich Materialien und elektrochemischer Leistung auf Basis eines tiefgreifenden wissenschaftlichen Verständnisses der elektrochemischen und thermomechanischen Alterungsphänomene und Schädigungsmechanismen erforderlich. In diesem Projekt sollen das Langzeitverhalten des neuen vollkeramischen SOFC-Konzepts umfassend erforscht sowie kritische Degradationsmechanismen identifiziert und modellhaft beschrieben werden. Auf Basis kombinierter experimenteller und simulierter Erkenntnisse werden Abhilfemaßnahmen auf Material- und Prozessebene abgeleitet, die in Modellzellen umgesetzt und erprobt werden. Des Weiteren soll auf Basis dieser Erkenntnisse eine Methodik zur beschleunigten Erprobung entwickelt werden, um zu verständnisbasierten, verkürzten Optimierungszyklen zu gelangen.
Das Projekt "Teilvorhaben: Elektrochemische und mikroskopische Analyse der Zellenalterung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Materialien - Elektrochemische Technologien durchgeführt. In KerSOLife100 wird durch ein Konsortium aus Industrie- und Wissenschaftspartnern ein innovatives, vollkeramisches SOFC-Zellkonzept für kosteneffiziente Stromerzeuger, welches ein hohes Potential besitzt, die zukünftigen Marktanforderungen bzgl. Lebensdauer und Kosten zu erfüllen, erforscht. Zur Umsetzung des neuartigen Zellkonzepts in wettbewerbsfähige Produkte ist eine Optimierung hinsichtlich Materialien und elektrochemischer Leistung auf Basis eines tiefgreifenden wissenschaftlichen Verständnisses der elektrochemischen und thermomechanischen Alterungsphänomene und Schädigungsmechanismen erforderlich. In diesem Projekt sollen das Langzeitverhalten des neuen vollkeramischen SOFC-Konzepts umfassend erforscht sowie kritische Degradationsmechanismen identifiziert und modellhaft beschrieben werden. Auf Basis kombinierter experimenteller und simulierter Erkenntnisse werden Abhilfemaßnahmen auf Material- und Prozessebene abgeleitet, die in Modellzellen umgesetzt und erprobt werden. Des Weiteren soll auf Basis dieser Erkenntnisse eine Methodik zur beschleunigten Erprobung entwickelt werden, um zu verständnisbasierten, verkürzten Optimierungszyklen zu gelangen.
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