Mechanische Zuverlässigkeit

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StrahlGuss – Beurteilung des Einflusses von Strahlprozessen auf das zyklische Werkstoffverhalten von Gusseisen unter Berücksichtigung lokaler Gefügeeigenschaften.

Motivation

Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL) und Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) stellen zusammen die volumenstärksten Gusswerkstoffe insbesondere bei zyklisch beanspruchten Bauteilen in Deutschland dar. Um sowohl Effizienz- als auch Leistungssteigerungen in möglichst leichten Gusskomponenten erreichen zu können, sind die lokalen Bauteilfestigkeiten immer weiter auszunutzen. Damit in diesem Zusammenhang das gesamte Werkstoffpotential genutzt werden kann, sind ebenfalls prozessbedingte Einflüsse auf die Lebensdauer von Komponenten zu betrachten. Wesentliche Einflussgrößen auf die zyklische Bauteillebensdauer sind die Oberflächenrauigkeit, oberflächennahe Gefügeabweichungen und Kerben von Bauteilen sowie das prozessseitig übliche Strahlen.

Da die Auswirkungen von Strahlprozessen in Abhängigkeit dieser Einflüsse bisher nur unzureichend quantifiziert wurden, bestehen Unsicherheiten bei der Beurteilung der lokalen Bauteilbeanspruchbarkeit sowie Lebensdauer, was die Umsetzung von Leichtbaumaßnahmen verhindert. Während OEMs durch Bauteillebensdauerversuche diese Problematik umgehen, steht den KMU Gießereien und Anwendern keine Möglichkeit zur Verfügung, die Wirkung des Strahlens auf die Bauteillebensdauer nachzuvollziehen.

Zielsetzung

Ziel des Vorhabens „StrahlGuss“ ist es daher, die Unkenntnis der Zusammenhänge zwischen den beinflussbaren Parametern des Strahlens und der damit erreichbaren Lebensdauererhöhung zu beheben. Hierfür werden im Projekt gezielte, experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die Auswirkung des Strahlens, die Effizienz der Bauteilreinigung sowie die Steigerung der Lebensdauer in Zusammenhang bringen zu können. Damit werden die Effekte des Strahlens für Konstrukteure und Gießer abschätzbar und über die Erarbeitung eines Bemessungskonzeptes anwendbar gemacht. Um dies zu erreichen, werden die verschiedenen, relevanten Strahlparameter untersucht und deren Reinigungsleistung sowie die Auswirkungen auf die zyklische Beanspruchbarkeit charakterisiert. Mittels Untersuchungen des Eigenspannungsniveaus sowie der resultierenden Schwingfestigkeit von Bauteilen werden Effekte des Strahlens bewertet. Interessant ist dabei die Überlagerung von Strahlprozessen mit Belastungsart und Bauteilgeometrie und den dabei auftretenden Spannungsgradienten sowie höchstbeanspruchten Bauteilbereichen.

Lösungsweg

Für Gießer und Konstrukteure wird auf Basis der experimentellen und numerischen Untersuchungen ein Bemessungskonzept entwickelt, das die Strahlparameter in Abhängigkeit des spannungs-mechanischen und statischen Größeneinflusses verknüpft, um Bauteile aus GJL und GJS beanspruchungsgerecht auszulegen. Damit bietet „Strahlguss“ Gießereien und Konstrukteuren aufgrund eines erweiterten Verständnisses der Korrelation zwischen Prozessparametern des Gießens, den lebensdauersteigernden Effekten und der Reinigungswirkung des Strahlens die Möglichkeit, Bauteile hinsichtlich der Lebensdauer weiter auszunutzen sowie leichter herzustellen. Dies resultiert in einer gesteigerten Produktivität.

Forschungspartner:
• TU Darmstadt, Fachgebiet Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik SAM
• RWTH Aachen, Lehrstuhl für das Gesamte Gießereiwesen und Gießerei-Institut GI
• Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Laufzeit: 01.07.2021 – 31.12.2024

Kontakt:
Jan Weichert, M.Sc.
Tel: +49 6151 705 8294
E-Mail: jan.weichert@sam.tu-darmstadt.de