Dipl.-Ing. Alexander HUTTER

Titel: “Simulationsbasierter Vergleich der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen nach den Auslegungsstandards IIW, FKM, EN 13001, EN 13445 und Eurocode 3”

Kurzfassung: 11/2025 
Diese Arbeit untersucht die Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen auf Basis gängiger Regelwerke und Normen, wie IIW-Richtlinie, FKM-Richtlinie, EN 13001, EN 13445 und EN 1993. Die IIW-Richtlinie enthält Empfehlungen zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen aus Stahl. Ihr umfassender Kerbfallkatalog bildet die Basis für die Kataloge anderer Normen. Die FKM-Richtlinie bietet ein allgemeines Verfahren zur Bewertung der statischen und der Ermüdungsfestigkeit von stab - und plattenförmigen Bauteilen im Maschinenbau. Die EN 13001 beinhaltet alle Vorgaben für die Auslegung von Kranen, während die EN 13445 Vorgaben für unbefeuerte Druckbehälter vorgibt. Die EN 1993 regelt die statische und dynamische Bemessung von Stahltragwerken. Erstes Ziel der Arbeit ist es, Unterschiede in den Einflussfaktoren auf den Ermüdungswiderstand, in der Beanspruchung und den Sicherheitskonzepten dieser Normen festzuhalten. Zweitens werden anhand der Finite-Elemente-Methode (FEM) die ermüdungsrelevanten Spannungen an einem Bauteil unter definierter Last ermittelt und die entsprechenden Nachweise der Ermüdungsfestigkeit sowohl mit der Software IBF-Fatigue als auch analytisch an einer bestimmten Stelle des Bauteils erbracht. Es werden abschließend die festgelegten Ermüdungswiderstände quer zur Schweißnahtrichtung der Normen verglichen und nach Größe gereiht. Für die Untersuchungen wurde das FE-Schalenmodell eines Pressen-Unterholms einer hydraulischen Presse mit 20 000 kN Presskraft verwendet. Die Blechstärken reichen von 40 bis zu 242 mm und es kommen mehrere Stumpf- und K-Nähte im Modell vor, welche eine stark unterschiedliche Beanspruchung aufweisen. Das Resultat sind signifikante Unterschiede in den Ergebnissen je nach untersuchtem Regelwerk. Für einen gewählten Auswertepunkt liefert die EN 13445 das konservativste Ergebnis. Ihr Ermüdungswiederstand beträgt nur 32% des Ermüdungswiderstandes nach EN 13001. Die IIW- und die FKM-Richtlinie sowie die EN 1993 liefern ähnliche Widerstände, welche 42% bis 47% des Ermüdungswiderstandes der EN 13001 betragen. Der Hauptgrund für diese hohen Abweichungen ist der in der EN 13001 nicht berücksichtigte Blechdickenkorrekturfaktor sowie das Entfallen des positiven Einflusses auf den Ermüdungswiderstand des Spannungsarmglühens in der EN 13445. Diese Arbeit stellt eine Grundlage für die Entwicklung eines einheitlichen Ansatzes zur Bewertung Schweißverbindungen aus Stahl in Zusammenhang mit einer FEM-Berechnung dar.

Dipl.-Ing- Alexander PLANK

Titel: “Entwicklung eines struktur- und gewichtsoptimierten Basaltfaser-Heckrahmens für ein Rennmotorrad”

Kurzfassung: 11/2025
Im Motorsport ist der Leichtbau von zentraler Bedeutung, da jede Gewichtseinsparung, die zur Steigerung der Beschleunigung beiträgt, von Vorteil ist. Im Rahmen des studentischen
Wettbewerbes ”MotoStudent“ erfolgt die Entwicklung eines struktur- und gewichtsoptimierten Basaltfaser-Heckrahmens für ein Rennmotorrad. Die Verwendung von Basaltfaser ist im Leichtbau aufstrebend und eine umweltfreundliche Alternative. Unter Einhaltung des Reglements muss ein Heckrahmen, welcher auch den Sitz für den Fahrer bildet, von Grund auf topologieoptimiert und fertigungsgerecht ausgelegt werden. Die maximalen Abmessungen sowie die mindesterforderliche Prüfkraft sind durch einen statischen Test vorgegeben. Die Evaluierung verschiedener Fertigungsmöglichkeiten sowie die Fertigung von Konzeptbauteilen bilden die Grundlage für einen zielgerichteten Herstellprozess. Als Werkstoff findet eine mit Epoxidharz beschichtete Basaltfaser Verwendung, die in Kombination mit Aluminiumteilen zu einem gewichtsoptimierten Heckrahmen führte. Der iterierende Entwicklungsprozess hat wiederholt mehrere Stufen durchlaufen, darunter die Konstruktion, die Topologieoptimierung, das Redesign, die statische Simulation sowie die Erstellung einer Fertigungsreihenfolge. Ein Start-up-Unternehmen, welches auf die Herstellung von Bewährungselementen aus Basaltfasern spezialisiert ist, unterstützt bei der Fertigung mit dem erforderlichen Equipment sowie dem entsprechenden Know-How. In diesem Zuge wurden mehrere Prototypen gefertigt, wobei auch verschiedene Epoxidharze im Verlauf der Entwicklung verwendet wurden. Im Bereich des robotergesteuerten Filamentwickelns mit Basaltfasern hat sich die Verwendung des temperaturaushärtenden Epoxidharzes als besonders vorteilhaft herausgestellt. Dieses Fertigungsverfahren ermöglicht die Erstellung tragender Strukturelemente, die im Automobilbereich zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die Überprüfung der Heckrahmen mittels statischer und zyklischer Materialtests ermöglichte die Sicherstellung der Regelkonformität. In der Folge konnte ein sicherer Fahrbetrieb unter Rennbedingungen gewährleistet werden. Des Weiteren zeigte sich, dass durch den Einsatz von Basaltfasern die Herstellung von faserverstärkten Bauteilen mit einem reduzierten Kohlendioxid-Ausstoß im Vergleich zu Bauteilen aus Kohlenstofffasern möglich ist.

Dipl.-Ing. Florian HAUMER

Titel: “Experimentelle Modellierung des FZG-Verzahnungstest nach ISO 14635”

Kurzfassung: 10/2025 
Aufgrund knapper werdender Resourcen wächst der Bedarf an nachhaltigen und effizienten technischen Systemen - insbesondere bei hochbelasteten Komponenten wie Zahnradgetrieben. Diese zeichnen sich besonders durch ihre hohe Leistungsdichte aus, unterliegen jedoch komplexe tribologische Beanspruchungen. Die rechnerische Auslegung dieser Zahnräder erfolgt anhand der Berechnung der Tragfähigkeit gemäß DIN 3990. Für die Bewertung der Fresstragfähigkeit des Systems fließt in die Auslegung nach DIN 3990-4 die Schadenskraftstufe des Schmierstoffes nach ISO 14635 ein. Diese wird mithilfe des Zahnradverspannungsprüfstandes ermittelt. Zur Reduzierung des Aufwandes sowie der Kosten wird untersucht, ob diese Fressversuche auch auf Zwei-Scheiben-Tribometern durchführbar sind. Hierfür wurden die auftretenden Hertz’schen Pressungen sowie die mittleren und relativen Geschwindigkeiten mittels analytischer Berechnung auf einen Linienkontakt zwischen zwei Scheiben übertragen. Unter Anwendung einer Prüfstrategie, angelehnt an die Norm ISO 14635, wurden insgesamt 28 Versuche auf einem Zwei-Scheiben-Tribometer durchgeführt. Dabei kamen Prüfscheiben aus einsatzgehärteten Stahl 16MnCr5 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Breite von 3 mm zum Einsatz. Aufgrund mechanischer und thermischer Grenzen der Prüfmaschine wurden beide Geschwindigkeitsparameter verringert, was letztlich in zu niedrigen Schmierstofftemperaturen resultierte. In allen Versuchen mit reduzierter Geschwindigkeit führte Kaltfressen anstelle von Heißfressen zur Schädigung. Daher wurde ein zweites Zwei-Scheiben-Tribometer mit höheren mechanischen und thermischen Belastungsgrenzen konstruiert und in Betrieb genommen. Auf diesem Prüfstand wurden Probenscheiben mit 50 mm und 4 mm Kontaktbreite aus ungehärteten Einsatzstahl 42CrMo4 verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Erhöhung der mittleren Geschwindigkeit auf 3,54 m/s und der relativen Geschwindigkeit auf 3,77 m/s in der vierten Laststufe zu einem Temperaturanstieg von etwa 10 °C führte. Zudem zeigten die Messdaten in der letzten Minute des Versuchs den charakteristischen Reibungsanstieg bis zum sprunghaften Versagen, was typisch für Heißfressen ist. Insgesamt lässt sich aus den Ergebnissen ableiten, dass die Fresstragfähigkeit von Schmierstoffen mit Zwei-Scheiben-Tribometern realitätsnahe bestimmbar ist - sofern die Prüfparameter die realen Bedingungen adäquat darstellen.

Dipl.-Ing. Daniel KARNER

Titel: “Simulative Bewertung einer dreidimensionalen Schmierspaltmodifikation zur Tragfähigkeitssteigerung in hydrodynamischen Lagern”

Kurzfassung 08/2025
Reibung zählt zu den zentralen Energieverlustquellen in mechanischen Systemen. Insbesondere im Bereich der Lagertechnik besteht weiterhin Optimierungspotenzial, um Energieeffizienz als auch Lebensdauer der unter tribologischer Beanspruchung stehenden Komponenten zu verbessern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, die Tragfähigkeit hydrodynamisch geschmierter Gleitlager in deren hauptsächlichem Betriebszustand der hydrodynamischen Gleitreibung durch eine dreidimensionale Modifikation des Schmierspalts zu erhöhen. Im Fokus stehen sogenannte Segmentlager, konkret 120°-Lagerschalen. Das grundsätzliches Wirkprinzip besteht in der gezielten Interaktion zweier unterschiedlicher Orte im Schmierspalt, um einen Druckausgleich zwischen Hochdruck- und Niederdruckbereich zu erreichen. Zur Analyse wurde ein numerisches Modell auf Basis der Finite-Elemente-Methode entwickelt. Die Berechnung des Druck- und Geschwindigkeitsfeldes erfolgt dabei auf Grundlage der inkompressiblen Stokes-Gleichung in einem selbst erstellten Python-Programm unter Verwendung von Python OCC, Netgen und NGSolve. Kavitationserscheinungen werden dabei durch das Merkle-Kavitationsmodell berücksichtigt. Im Rahmen von Variationsstudien wurden verschiedene Geometrieformen untersucht und mithilfe eines Optimierungsalgorithmus die jeweils günstigen Parameterkombinationen identifiziert. Die Simulationen zeigen deutliche Leistungssteigerungen. Durch eine geeignete Wahl der Geometrieparameter kann die Tragfähigkeit um bis zu 21% erhöht werden, während sich bei der Reibung eine Reduktion von maximal 31% ergab. Diese Verbesserungen resultieren aus der gezielten Beeinflussung des Druckfeldes. Die Ergebnisse belegen die grundsätzliche Wirksamkeit der Interaktion zweier Bereiche innerhalb des Schmierspalts und bilden damit eine solide Grundlage für die experimentelle Validierung der Simulationsergebnisse sowie weiterführende Optimierungsansätze.

Dipl.-Ing. Manuel KANZNER

Titel: “Entwicklung einer innovativen Methodik zur tribologischen Prüfung von Werkstoffen unter Medieneinfluss”

Kurzfassung 05/2025
Das Voranschreiten von Klimawandel und Erderwärmung nimmt immer größer werdenden Einfluss auf nahezu alle Bereiche von Industrie und Wirtschaft. Die Reduzierung globaler Emissionen durch eine groß angesetzte Dekarbonisierung des Energiesystems und die Umstellung fossiler Brennstoffe auf alternative Energiequellen beziehen dabei eine zentrale Stellung in der Lösung der Energiekrise. Wasserstoff als Energieträger gilt dabei als vielversprechender Lösungsansatz, wobei die Verwendung von Wasserstoff durch seine korrosive und stark schädigende Eigenschaft der Wasserstoffversprödung neue Herausforderungen für verwendete Werkstoffe und Maschinenelemente mit sich bringt. Diese Arbeit setzt an einem spezifischen Aspekt im Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur für den Betrieb von Brennstoffzellen an. Brennstoffzellen verlangen die Verwendung von hochreinem Wasserstoff, was besondere Anforderungen an die medienberührenden Lagerungen von Hochdruckkompressoren stellt. Schmiermittel verunreinigen das Wasserstoffgas, die Wälzlagerungen müssen somit trocken laufen und ohne Schmierung funktionieren, was in einer erhöhten tribologischen Beanspruchung und erhöhtem Verschleiß resultiert. Das Ziel liegt dabei in der Erweiterung der tribologischen Prüftechniken um eine innovative Methodik zur Prüfung von Wälzkontakten unter Medieneinfluss. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Prüfmaschine entwickelt, die die tribologische Prüfung von schmierfreien Wälzkontakten in Druckwasserstoffatmosphäre in einem Bereich von bis zu 200 bar ermöglicht. Konkret wurde dabei das etablierte „Three Ball on Rod“ RCF-Prüfverfahren als grundlegendes Prüfprinzip herangezogen und innerhalb eines abgekapselten Autoklaven realisiert. Die Drehmomentübertragung in das Innere der Prüfzelle und der Antrieb eines zylindrischen Probenkörpers erfolgt dabei kontaktlos über eine Dauermagnetkupplung. Mit der entwickelten Prüfmaschine konnte in der aktuellen Projektphase ein Probenkörper erfolgreich bis zur Materialermüdung belastet werden und unter Druckwasserstoff die Bildung von White Etching Cracks beobachtet werden.

Dipl.-Ing. Nico BRANDSTETTER

Titel: “Analyse und Optimierung der Maschinenvibrationen an einem Tribometer”

Kurzfassung 05/2025
In der vorliegenden Arbeit wird die strukturdynamische Optimierung eines Prüfstands des Labors für Tribologie an der Montanuniversität Leoben untersucht. Der Prüfstand dient der Durchführung tribologischer Versuche und ist mit einem Elektromotor ausgestattet, der Drehzahlen bis zu 8.000 U/min ermöglicht. Aufgrund unzureichender strukturdynamischer Auslegung konnte das volle Leistungspotential des Motors bislang nicht ausgeschöpft werden. Zur Identifikation der dynamischen Eigenschaften des bestehenden Systems wurde zunächst eine experimentelle Modalanalyse durchgeführt. Auf Basis der gewonnenen Daten wurde ein Finite -Elemente- Modell (FEM) erstellt, welches durch Abgleich mit den experiment ellen Ergebnissen validiert wurde. Anschließend erfolgte eine schrittweise strukturelle Optimierung des Modells mit dem Ziel, Eigenfrequenzen im Bereich bis 133Hz zu vermeiden. Die daraus abgeleitete Lösung wurde konstruktiv umgesetzt, gefertigt und in den realen Prüfstand integriert. Eine erneute experimentelle Modalanalyse am modifizierten Prüfstand bestätigte die Ergebnisse der numerischen Simulationen und belegte die Wirksamkeit der entwickelten strukturellen Versteifungen. Die modulare Bauweise der Verstärkungsmaßnahmen erlaubt eine flexible Anpassung an unterschiedliche Versuchsszenarien. Abschließend wurde eine Empfehlung erarbeitet, welche Module in Abhängigkeit der jeweils durchzuführenden Versuchstypen zum Einsatz kommen sollen. Die Arbeit belegt die hohe Übereinstimmung zwischen numerischer Simulation und experimenteller Validierung und demonstriert die Effektivitätder entwickelten strukturdynamischen Optimierungsmaßnahmen.

Dipl.-Ing. Michael PAPST

Titel: “Lebensdauervorhersage von Hochdruckrohren unter Berücksichtigung technologischer Einflüsse und bruchmechanischer Konzepte”

Kurzfassung 03/2025
Die BHDT GmbH fertigt unter anderem Wärmetauscher, Reaktoren und Rohrleitungen für die petrochemische Industrie unter Extrembelastungen, wie Drücken bis 4000 bar bei
Temperaturen bis 350 °C. Diese zumeist ummantelten Rohre bestehen häufig aus hochfesten Vergütungsstählen oder ausscheidungsgehärteten rostfreien Stählen und werden aus Stabmaterial mittels Tieflochbohren erzeugt. Insbesondere beim Hochfahren (Start-up) der Anlage wirken die stärksten Belastungen auf die Hochdruckkomponenten. Ein Maß für die Lebensdauer bildet hierbei die Anzahl der Start-ups, die ein Hochdruckrohr (HD-Rohr) ohne Versagen ertragen kann. Dadurch ist eine genaue Abschätzung des Ermüdungsverhaltens für eine betriebssichere Auslegung unabdingbar. Im Laufe der Zeit hat sich Überzeugung etabliert, dass die Art der Umformung bei der Herstellung der Stäbe signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer des HD-Rohres hat. Aus diesem Grund ist ein wesentliches Ziel dieser Masterarbeit die Untersuchung des technologischen Einfluss aus dem Fertigungsprozess der Stäbe auf das Ermüdungsverhalten der Rohrleitungen. Um weitere mögliche Einflüsse auf die Ermüdungsfestigkeit ausschließen zu können, wurde derselbe Hochdruckwerkstoff, SA-723 Gr.2 Cl.2a mod. in drei verschiedenen Umformvarianten, in Form von „Real-Shape“ Rohrproben unter zyklischem Innendruck belastet. Die Ergebnisse wurden in der entsprechenden Wöhlerlinie gemäß ASME BPVC VIII-3 [1] abgebildet und den vorhandenen Erfahrungswerten gegenübergestellt. Entgegen früheren Annahmen erfüllten alle drei untersuchten Variante die definierten Anforderungen ohne signifikante Unterschiede. Eine Probe versagte in Form eines Lecks. Die erreichte Lastspielzahl liegt im Bereich der Erfahrungswerte und wurde somit als in Ordnung bewertet. Da dem Versagen ein längeres Risswachstum vorangeht sind auch bruchmechanische Aspekte miteinbezogen worden. Dazu wurden SENB-Vergleichsproben zur Ermittlung der „Paris-Parameter“ sowie des Langriss-Thresholdwertes nach ASTM getestet. Die Resultate zeigten auch hier keine signifikanten Unterschiede der einzelnen Herstellungsvarianten des Materials. Unter Einhaltung von ASME BPVC VIII-3 [1] und API 579 Fitness-For-Service [2] sowie unter Zuhilfenahme von Finite-Elemente-Simulationen und den Werkstoffparametern aus den bruchmechanischen Versuchen, wurde ein analytisches Vorhersagekonzept für die Lebensdauer abgeleitet. Dieses Modell beinhaltet eine Leck-Vor-Bruch-Abschätzung, eine Ermüdungsberechnung sowie eine bruchmechanische Evaluierung. Letzteres wurde in zwei Varianten zur Berechnung des Rissfortschrittes im Bereich des Langrissschwellwertes aufgeteilt. Die Erste ist gemäß ASME BPVC VIII-3 [1] definiert. Für die Zweite wurde die Rissfortschrittsrate gemäß des Ansatzes von Kohout modifiziert. Trotz Einführung eines Lastspielsicherheitsfaktors von zehn, sind die Ergebnisse der Ermüdungsberechnung gegenüber den Resultaten aus den realen Versuchen auf der sicheren Seite, was zu einer konservativen Abschätzung führt.

Dipl.-Ing. Robin BICKEL

Titel: “Development of a test methodology for detailed friction analysis in the piston ringand cylinder liner tribosystem at constanthigh relative speeds”

Kurzfassung 02/2025
Reibung und Verschleiß sind entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer mechanischer Systeme und beeinflussen deren Effizienz, Betriebskosten und Gesamtlebensdauer. Besonders der tribologische Kontakt zwischen den Kolbenringen und der Zylinderlaufbuchse ist bei Verbrennungsmotoren von großer Bedeutung. Dies gilt insbesondere angesichts des aktuellen Trends zur Verwendung von Ölen mit niedriger Viskosität. Dies reduziert Reibung, kann allerdings den Verschleiß erhöhen. Reibung und Verschleiß in diesen Systemen werden von verschiedenen Parametern wie Belastung, Temperatur und Relativgeschwindigkeit beeinflusst, was ihre Vorhersage ohne Versuche erschwert. Bei Verbrennungsmotoren sind die Kolbenringe und die Zylinderlaufbuchse rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Nicht nur bei niedrigen Geschwindigkeiten nahe dem oberen Totpunkt, auf die sich die meisten Forschungsarbeiten konzentrieren, sondern auch bei höheren Geschwindigkeiten in der Mitte des Hubs, die weniger untersucht werden. Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung einer Prüfmethodik zur genauen Messung der Reibung bei diesen hohen Relativgeschwindigkeiten. Dazu wird die lineare Bewegung des Kolbenrings in eine Rotationsbewegung umgewandelt. Der Kolbenring wird so gedreht, dass seine Drehachse senkrecht zur Drehachse der Zylinderlaufbuchse steht. Wenn ein kleiner Teil des Kolbenrings verwendet wird, läuft er nun bei Bewegung auf dem Innenumfang der Zylinderlaufbuchse. Im Inneren der Prüfzelle wird die Zylinderlaufbuchse stationär montiert, während drei Kolbenringproben von einem Elektromotor angetrieben werden. Das System wird auf Betriebstemperatur gebracht und die Kolbenringproben werden beschleunigt, um die Relativbewegung in einem Motor zu simulieren. Die Kolbenringproben werden unter kontrollierten Bedingungen gegen die Zylinderlaufbuchse gepresst, während die Reibung kontinuierlich mit einer Kraftmesszelle gemessen wird. In insgesamt 27 Versuchen wurde die Prüfmethode und die Qualität der Reibungsmessung bewertet und verbessert. Umfangreiche Tests haben zu kontinuierlichen Verbesserungen geführt, die zu einer robusteren Prüfmethodik und konsistenten Prüfbedingungen geführt haben. Die entwickelte Prüfmethodik legt den Schwerpunkt auf eine hohe Präzision der Reibungsmessung, die Wiederholbarkeit der Tests und die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen und Schmierungsänderungen. Diese Eigenschaften ermöglichen es der Prüfmethodik, Reibung unter verschiedenen Betriebsbedingungen nachzubilden und zu messen.

Dipl.-Ing. Elias BAUMGARTNER

Titel: “Optimierte Versuchsführung in der Betriebsfestigkeitsprüfung von Werkstoffen mit einem modernen Regelungssystem”

Kurzfassung 02/2025
Diese Arbeit befasst sich mit der Einbringung eines neuen, modernen Regelungssystems, sowie eines Messsystems zur optischen Dehnungsmessung füŸr die BetriebsfestigkeitsprüŸfung von Werkstoffen am Lehrstuhl füŸr Allgemeinen Maschinenbau an der MontanuniversitŠt Leoben. Diese Systeme werden mit einem bestehenden, servohydraulischen PrüŸfstand verknüŸpft, um diesen füŸr Kurzzeit-Festigkeits-Versuche bzw. LCF-Versuche (low cycle fatigue) einsatzbereit zu machen. Dazu wird zuerst eine allgemeine Literaturstudie zu Kalibrierungen und der LCF-PrŸftechnik laut Norm sowie zur Regelungstechnik und optischen Dehnungsmessung durchgefüŸhrt. In Verbindung mit dem Regelungssystem werden Kalibrierungen der Kraft- und LŠängenmesseinrichtungen ausgefüŸhrt, PrüŸfprogramme erstellt und versuchsrelevante Ein- und Ausgangssignale konfiguriert. Das optische Messsystem wird füŸr die gegebenen Anforderungen angepasst und in das neue Regelungssystem eingebunden.  Es werden Versuche durchgefŸührt, zum einen mit  einem Hersteller-internen LCF-PrüŸfprogramm, zum anderen mit einer selbst erstellten LCF-PrüŸfdefinition mit optischer und mechanischer Dehnungsmessung und -regelung. DiesbezüŸglich werden die in der Versuchsauswertung aufbereiteten Daten miteinander verglichen und interpretiert. Es stellt sich heraus,  dass das Herstellerinterne PrüŸfprogramm füŸr die am Lehrstuhl abgewickelte VersuchsfŸührung nicht ausreichend abgestimmt ist und somit die selbst erstellte PrüŸfdefinition, vor allem durch die freiere Gestaltung der Datenaufzeichnung, besser geeignet ist. Die Untersuchungen hinsichtlich des optischen Messsystems fŸühren zur Erkenntnis, dass das optische Dehnungssignal nach Stand des DurchfüŸhrungszeitpunktes nicht füŸr die LCF-PrüŸfung geeignet ist. Die erlangten AufschlŸüsse geben jedoch eine Basis  fŸür die weitere Forschung vor und köšnnen dadurch einen Beitrag fŸür die optische Dehnungsmessung in der Betriebsfestigkeitsforschung am Lehrstuhl leisten. DiesbezŸüglich werden LöšsungsvorschlŠäge erarbeitet.  Die Arbeit wird mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick abgeschlossen.  

Dipl.-Ing. Thomas HOFBAUER

Titel: “Einflüsse der Betriebsparameter auf den Hochtemperaturverschleiß von Walzstraßenkomponenten”

Kurzfassung 09/24
Verschleiß und Reibung sind in Maschinen und Anlagen immer wieder ausschlaggebende Kriterien, welche die Lebensdauer wie auch die laufenden Kosten und deren Wirkungsgrad stark beeinflussen können. Jede Maschine besitzt mindestens ein bewegliches Bauteil, also auch einen sogenannten tribologischen Kontakt, welcher Reibung und Verschleiß verursacht. In der heutigen Zeit werden die Anforderungen an Maschinen immer größer. Ressourcen- und Kostenschonung, Stillstandzeit minimieren und die Umweltfreundlichkeit erhöhen, sind nur wenige Beispiele dafür. Eine Optimierung eines tribologischen Kontaktes in der Maschine kann diese Punkte stark beeinflussen. Die Stärke des Verschleißes ist jedoch oftmals von der Werkstoffpaarung und weiteren Parametern wie z. B. der Belastung, der Temperatur und der Relativgeschwindigkeit abhängig. Da der Verschleiß also eine Systemgröße und keine Materialeigenschaft ist, ist eine Aussage über den möglich auftretenden Verschleiß ohne Versuche kaum möglich.  Ein solcher hochbeanspruchter tribologischer Kontakt befindet sich in einem Warmdrahtwalzwerk. Relativgeschwindigkeiten von über 110 m/s bei Temperaturen von bis zu 1000 °C werden in diesem System durch den gewalzten Warmdraht erreicht. Da der Draht oftmals eine Länge von bis zu 6 km erreichen kann, muss dieser am Ende der Walzstraße in sogenannte „Coils“ gewickelt werden. Dies wird mithilfe eines Legerohres erreicht. Der Draht schießt durch das gebogene Rohr und legt sich am Ende in kreisförmige Schleifen. Eine Schmierung ist aufgrund der hohen Temperaturen des Drahtes nicht möglich. Das Legerohr verschleißt bei diesem Prozess und muss nach gewisser Betriebszeit gewechselt werden. Um den Prozess zu optimieren bzw. die Stillstandzeit zu minimieren und die Ressourcenschonung zu
steigern, wurde diese Masterarbeit durchgeführt. Ziel war die Ermittlung des Verschleißverhaltens des Legerohrs in Abhängigkeit der Temperatur wie auch dem Sauerstoff im Umgebungsmedium. Dafür wurde eine bereits vorhandene Prüfmaschine umgebaut, automatisiert und optimiert sowie eine Kraftaufbringung mittels eines pneumatischen Muskels neu konstruiert. Auf diesem horizontalen Tribometer wird eine Scheibe mit 200 mm Durchmesser als Drahtprobe montiert. Die Scheibe wird induktiv auf bis zu 950 °C erhitzt und mit einem Servomotor auf 4.500 U/min gedreht. Die Legerohrprobe wird dabei mittels der Kraftaufbringung gegen diese erhitzte Scheibe für ca. 30 Minuten gedrückt. Der entstandene Verschleiß wird mit einem taktilen Oberflächenmessgerät sowie mit einem Digitalmikroskop ermittelt. Dabei werden das Verschleißvolumen [mm3] und die Geometrie der Verschleißspur von insgesamt 12 Versuchen ausgewertet. Die Versuche wurden bei 800 °C, 850 °C, 900 °C und 950 °C mit einer Normalkraft von jeweils 19 N durchgeführt. Das Ergebnis zeigt, dass lediglich die Temperatur einen Einfluss auf den Verschleiß der Legerohrprobe hat. Der Sauerstoff beeinflusst den Verschleiß in diesem tribologischen System bis zu einem Restgehalt von 2,4 % in dem Umgebungsmedium, bei einer Temperatur von 850 °C, nicht ausschlaggebend. Knapp die Hälfte des Verschleißes kann durch eine Erhöhung der Drahtprobentemperatur von 800 °C auf 950 °C vermieden werden. Ein anderes Verhalten zeigt sich hingegen auf der Drahtprobe, dort nimmt der Verschleiß mit steigender Temperatur zu.

Dipl.-Ing. Markus VOLLNHOFER

Titel: “Werkstoffliche Charakterisierung einer Messinglegierung in Komponenten des Schwermaschinenbaus”

Kurzfassung 08/24
Messinglegierungen stellen trotz ihres weit verbreiteten technischen Einsatzes im Gegensatz zu klassischen Konstruktionswerkstoffen wie Stahl oder Aluminium in der Werkstoffkunde nur ein Randthema dar, und die Einflüsse des teils komplexen, mehrphasigen Gefügeaufbaus sind in der Fachliteratur kaum dokumentiert. Diese Arbeit leistet durch eine Gefügecharakterisierung und anschließende Korrelation mit grundlegenden mechanischen Kennwerten einen Beitrag zum besseren Verständnis der mikrostrukturellen Beeinflussung des Werkstoffverhaltens von CuZn-Legierungen. Betrachtet wird die unbekannte Messinggsusslegierung eines Großgussbauteils als Komponente des Schwermaschinenbaus. Hierzu werden metallografische Schliffe angefertigt, kontrastiert und die Gefügebestandteile anhand lichtmikroskopischer Aufnahmen unter Mithilfe von Methoden der chemischen Analyse (Funkenspektrometrie und EDX) identifiziert. Die Gefügeelemente werden im Anschluss mittels (teil-) automatisierter Algorithmen zur Bildaufbereitung und –auswertung hinsichtlich Geometrie (Größe, Morphologie) und deren Verteilung über den Bauteilquerschnitt quantifiziert. Zudem werden quasistatische Zugversuche durchgeführt, und die ermittelten Kennwerte zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens herangezogen. Das vorliegende grobkörnige Mehrphasengefüge weist Mikrolunker, Gasporen sowie Eisenausscheidungen unterschiedlicher Morphologie (dendritisch und plattenförmig) auf, welche aufgrund von Seigerungen ungleichmäßig über den Querschnitt verteilt sind. Eine Vorzugsorientierung ist hingegen nicht erkennbar, das Gefüge ist isotrop. Bedingt durch lokal erhöhte Abkühlraten, sowie Schwereseigerung der keimfördernden Eisenausscheidungen zeigen die Schliffe im unteren Querschnittsbereich eine Kornfeinung mit globularen Ausscheidungen der α-Phase, wohingegen im Grobkornbereich nadel- und plattenförmige α-Partikel vorliegen. Es besteht eine starke Korrelation der im Zugversuch ermittelten mechanischen Kennwerte mit den mikrostrukturellen Veränderungen. Im Feinkornbereich, mit dispers verteilten Ausscheidungen, steigen sowohl Festigkeit als auch Bruchdehnung an. Die untersuchte Legierung zeigt durchwegs duktiles Bruchverhalten mit Scherbrüchen in Richtung der maximalen Schubspannung, sowie eine Lokalisierung des Versagens bei Vorhandensein von großen Defekten. Eine separate Betrachtung der Einflüsse einzelner Gefügebestandteile ist anhand der vorliegenden Ergebnisse jedoch nicht möglich und die Bewertung auf tendenzielle Aussagen beschränkt. Die erarbeitete Methodik stellt jedoch durch ihre umfassende Beschreibung der Gefügeelemente und deren Verteilung die Grundlage für weiterführende Untersuchungen zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens, und somit zum Verständnis der Wechselwirkung von Herstellbedingungen, Mikrostruktur und Werkstoffeigenschaften beim vorliegenden Material dar und kann für weitere CuZn-Legierungen verwendet werden.

Dipl.-Ing. Thomas BALL

Titel: “Konzeptionierung und Evaluierung einer in-situ Verschleißmessung an experimentellen Gleitlagermodellprüfungen”

Kurzfassung 08/24
Strenge Abgasnormen und die generelle Entwicklung hin zu effizienteren, ressourcensparenderen Motoren sind Haupttreiber für Innovationen und Weiterentwicklungen in der Gleitlagertechnik. Unter anderem stellt die Start-Stopp-Funktion in Verbrennern eine Möglichkeit dar Kraftstoff zu sparen, wodurch die Gleitlager aber erhöhtem Verschleiß unterliegen. Moderne Lagermaterialverbunde mit speziellen Laufschichten sollen in Kombination mit Hochleistungsschmierölen längere Standzeiten durch bessere Mischreibungseigenschaften erzielen. Dies ergibt ein großes technologisches Interesse an der Verschleißevolution verschiedenster Öl-Lagerpaarungen, um die Lebensdauer zu maximieren. In dieser Arbeit werden zwei Konzepte zur in-situ Verschleißmessung an einem elaborierten Tribometer für Verschleißtests an Gleitlagerschalen realisiert und evaluiert. Für beide Messkonzepte wird ein hochauflösender, induktiver Wegsensor verwendet, welcher an zwei verschiedenen Positionen am Gleitlagerschalenadapter angebracht ist. Dabei erfolgt die Aufzeichnung der summierten Bewegungen beider Lagerschalenhälften an Position 1 und an Position 2 nur jene einer einzelnen Lagerschale. Auch ist an Position 2 der Sensor wesentlich näher an der Schnittstelle Welle-Lagerschale positioniert. Die Qualifizierung und Quantifizierung der Messdatenqualität durch verschiedene Versuchsarten zeigt auf, dass im gesamten Gleitlagerschalenadapter des Tribometers eine hohe Bewegungsdynamik herrscht und aufgrund der Versuchsdurchführung bei Ölbadtemperaturen von 120 °C die thermischen Verschiebungen ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Umsetzbarkeit einer in-situ Verschleißmessung haben. Um eine Übereinstimmung mit den nach Versuchende gemessenen Verschleißbeträgen zu erhalten, werden die Tests erst nach vollständigem Aufheizen der Prüfzelle gestartet, welches im Schnitt nach 2,5 h abgeschlossen ist. Weitere Untersuchungen ergeben, dass die Messdaten für die wichtigen Start-Stopp Versuche an Position 2 eine um 50 % niedrige Streuung aufweisen als an Position 1. Um noch genauere Werte für die Verschleißbeträge dieser Versuchsmethode zu erhalten, werden im Post-Processing nur jene Messpunkte bei maximaler Wellendrehzahl und minimalen Reibmoment eines jeden einzelnen Start-Stopp-Zyklus herangezogen. Dadurch wichen die Verschleißbeträge im Mittel nur noch 16 % bzw. 4 μm von den Referenzmessungen ab. Es wird ebenfalls gezeigt, dass sich das Messsystem an Position 2 auch zur Messung der minimalen Schmierspalthöhe eignen kann, da die Daten durchschnittlich weniger als 12 % bzw. 1 μm von numerischen Simulationsergebnissen abweichen. Auf den Resultaten und Erkenntnissen dieser Arbeit können zukünftige Ideen zur in-situ Verschleißmessung an Tribometern aufbauen und Konzepte hin zu noch genaueren Messungen vorangetrieben werden.

Dipl.-Ing. Roland SAMPL

Titel: “Untersuchung des Einflusses von Einschlüssen auf die Schwingfestigkeit von 26NiCrMoV14-5 in Schmiedeteilen für den Schwermaschinenbau”

Kurzfassung 05/2024
In dieser Arbeit wird das zyklische Verhalten von geschmiedeten, gehärteten und angelassenen Proben aus 26NiCrMoV14-5 aus einem repräsentativen Schmiedestück dargestellt. Bei Raumtemperatur wurde das Schwingfestigkeitsverhalten bei konstanter Spannungsamplitude bis zu einer Lastspielzahl von 10 Mio. ermittelt. Aufgrund der großen Abmessungen des untersuchten Schmiedestücks ist der technologische Größeneinfluss durch eine Wärmebehandlung bei der Probenfertigung minimiert worden. Unter axialer Zug-Druck-Beanspruchung und Umlaufbiegebeanspruchung wird das Schwingfestigkeitsverhalten dieses Vergütungsstahls für Schwermaschinenbauanwendungen festgestellt. Im Rahmen der Untersuchung konnte eine Steigerung der Dauerfestigkeit der gleitgeschliffenen Serie im Vergleich zur polierten Serie bei Umlaufbiegebeanspruchung festgestellt werden. Bei der axial wechselnden Beanspruchung konnte festgestellt werden, dass die polierte Probenserie ebenfalls eine geringere Dauerfestigkeit aufwies als die gleitgeschliffene Probenserie. Die Mittelspannungsempfindlichkeit des untersuchten Materials ist im gleitgeschliffenen Zustand höher als die Angaben aus der FKM-Richtlinie. Allerdings zeigt der Werkstoff bei hohen Spannungsverhältnissen (R=0.5) ein erhöhtes duktiles Werkstoffverhalten. Ein Extremwertmodell zur Bewertung der Verteilung der Einschlussgrößen wird anhand von fraktografischen Untersuchungen angewendet. Auf Grundlage von REMAufnahmen und EDX-Analysen lassen sich die Einschlüsse als oxidische Verbindungen, insbesondere Tonerde und Calciumoxid, identifizieren. Bei wechselnder und schwellender Beanspruchung treten bei einigen Proben interne Anrisse mit der Bildung eines fish-eyes auf. Die Bewertung der Lebensdauer im fish-eye mit dem Modell von Marines-Garcia führt bei Anwendung eines zuvor erarbeiteten Parametersatzes zu zufriedenstellenden Ergebnissen.

Dipl.-Ing. Andreas KORENJAK

Titel: “Untersuchung des Rissfortschritts an bauteilähnlichen Strukturen einer Al-Si-Gusslegierung unter Schwingbeanspruchung”

Kurzfassung 05/2024
Aluminium-Gussbauteile sind in der modernen Fertigungstechnik wie beispielsweise im Automobilbau durch die ständige Weiterentwicklung von industriellen Fertigungsprozessen und Leichtbaukonzepten nicht mehr wegzudenken. Materialien mit geringer Dichte und dabei hohen Festigkeitseigenschaften sind insbesondere bei komplexen Bauteilgeometrien sehr gefragt. Aluminium und deren Legierungen sind durch die gute Gießbarkeit besonders für komplizierte Strukturen geeignet. Komplexe Bauteilgeometrien ergeben durch den Gießprozess systembedingt lokal unterschiedliche Erstarrungseigenschaften, welche sich unter anderem durch variierende Porositätsverteilungen zeigen. Dadurch entstehen signifikante Unterschiede in den Festigkeitseigenschaften. Durch zyklische Belastungen können Ermüdungsrisse auftreten, die zum Versagen des Bauteils führen. Aus der technischen Vergangenheit ist bekannt, dass ein unzureichender Widerstand gegen Rissinitiierung und Risswachstum zu katastrophalen Unfällen und weitreichenden Folgen führen kann. Demzufolge sollen kritische Bauteile in bestimmten Abständen kontrolliert und auf auftretende Risse untersucht werden. Somit ist die Feststellung der technischen Rissinitiierung mittels ingenieurmäßig anwendbaren Methoden von wesentlicher Bedeutung für die zyklische Gebrauchsdauer. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine bestehende Prüfmethodik mit einem optischen Kamerasystem erweitert, um die Rissinitiierungslebensdauer an bauteilähnlichen Strukturen zu ermitteln. Die Grundlage für die Untersuchungen bilden halbringförmige Proben, welche aus dem Wassermantel von Zylinderkurbelgehäusen entnommen werden. Die verwendeten Werkstoffe sind die AlSi- Legierungen EN AC-42100 und EN AC-46200. Es werden Proben mit gussrauer Oberfläche und Proben mit gefräster Oberfläche unter schwellender Belastung geprüft, wobei Biegespannungen an der Oberfläche auftreten. Während der Prüfung wird mit einem handelsüblichen Kamerasystem die Rissinitiierung und der Rissfortschritt aufgenommen. Zur leichteren Risserkennung werden ein Graphit-Spray und eine Zwei-Komponenten- Spezialbeschichtung (Riluminati) eingesetzt. Die Beschichtung beruht auf Lumineszenz und besteht aus einer fluoreszierenden Indikatorschicht, welche nach der Trocknung mit einer schwarzen Deckschicht überdeckt wird. Abhängig vom geprüften Spannungsniveau und der zu erwartenden Bruchlastwechselzahl werden in vorgegebenen Abständen Fotos aufgenommen, welche im Nachhinein auf die Rissentstehung bzw. auf den Zeitpunkt des ersten sichtbaren Risses untersucht werden. Die Auswertung der Rissinitiierung erfolgte auf Basis der Bilddaten und über die Änderung der Steifigkeit. Beim Werkstoff EN AC-42100 konnte ein längerer Rissfortschrittsbereich als beim Werkstoff EN AC-46200 festgestellt werden. Die Restlebensdauer auf Basis der optischen Auswertung beträgt beim Werkstoff EN AC-42100 zwischen 10-15% der Bruchlastspielzahl, wobei bei der Legierung EN AC-46200 die Restlebensdauer nur ca. 10% aufweist. Ausschlaggebend dafür ist die deutlich ausgeprägte Randschichtporosität im höchstbeanspruchten Volumen beim Werkstoff EN AC-46200. Außerdem kann beim Werkstoff EN AC-46200 der Riss an der gefrästen Oberfläche ca. 4% früher mit der Riluminati-Beschichtung erfasst werden. Bei der Graphit-Beschichtung konnte der technische Anriss ebenfalls ähnlich wie bei der Riluminati Beschichtung beurteilt werden, jedoch ist der Riss durch den geringen Kontrastunterschied schwieriger zu finden. Beim Werkstoff EN AC-42100 kann der Riss mit der Graphit-Beschichtung erst etwa 5% später als mit der Riluminati-Beschichtung erfasst werden. Die Riluminati-Beschichtung ist aufgrund der einfacheren optischen Erkennung bzw. Bildauswertung gegenüber der Graphit-Beschichtung zu bevorzugen. Die Rissinitiierungsauswertung über die Steifigkeitsänderung liefert je nach Filter - und Bezugspunktwahl für den Geradenfit signifikant unterschiedliche Initiierungszyklen. Der technische Anriss konnte bei dieser Auswertung bei einer Restlebensdauer von ca. 15% im Mittel erfasst werden. Die Prüftechnik mit optischer Risserfassung ist somit reproduzierbar und liefert aussagekräftige Ergebnisse im Bereich der Risserkennung mit ingenieurmäßig einfachen Mitteln und geringem Kostenaufwand.

Dipl.-Ing. Thomas SMIT

Titel: “Capability of microstructure simulation to study cyclic behaviour fo aluminium cast alloys”

Kurzfassung 05/2024
In dieser Masterarbeit wird die praktische Anwendung von Mikrostruktursimulationen mit der Simulationssoftware DAMASK (Düsseldorfer Advanced Material Simulation Kit) für zyklische Belastungen untersucht. Der Fokus liegt dabei auf zwei Aluminiumgusslegierungen, EN AC 42100 und EN AC 46200, die zuvor im Christian Doppler Laboratorium für Fertigungsprozessbasierte Bauteilauslegung charakterisiert wurden. Es wird eine vergleichende Analyse zwischen experimentellen und simulierten Proben durchgeführt. Die Parameter des Materials wurden durch Literaturrecherche und Parametervariation approximiert. Korngröße und Kornorientierung wurden aus physikalischen Proben abgeleitet.
Veränderungen im Mikrogefüge, insbesondere plastische Verformungen infolge der eingeführten Verformung, wurden analysiert. EBSD-Messungen der Proben vor und nach dem Belastungsprozess dienten dazu, diese Veränderungen zu verstehen und zu visualisieren. Obwohl bemerkenswerte Erfolge erzielt wurden, wie die Konvergenz zwischen experimentellen und simulierten Daten bei der Materialannäherung auf der Grundlage einachsiger Zugversuche, ist es wichtig, die Grenzen dieses experimentellen Verfahrens zu beachten. Daher können Diskrepanzen zwischen experimentellen und simulierten Ermüdungstests mit niedriger Lastspielzahl auftreten.

Dipl.-Ing. Matthias BREITEGGER

Titel: “Experimentelle Evaluierung der Fresstragfähigkeit von Kolbenringen mit verschiedenen chrombasierten Schichten”

Kurzfassung 04/2024
Kolbenmaschinen finden in zahlreichen Gebieten in unterschiedlichsten Größen des modernen Lebens Anwendung. Dies reicht von der Automobilbranche bis hin zum Generatorbau. Hierbei werden unterschiedliche Kraftstoffe, wie Diesel, Benzin und auch Gas eingesetzt. Um diese Maschinen im Hinblick auf Nachhaltigkeit zu optimieren, ist es notwendig die Verluste der Kolbenmaschinen und somit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Ein wichtiger Bereich ist hierbei die tribologische Optimierung der Kolbengruppe, da in diesem Bereich ein großer Teil der Energie für die Reibungsüberwindung verwendet wird. Durch Verbesserung der Kontakteigenschaften zwischen Kolbenring und Zylinderwand, kann hierbei eine signifikante Menge an Energie eingespart werden. Um dies zu erzielen werden die Topologie der Reibpartner verbessert, niedrigviskose Schmierstoffe eingesetzt und verbesserte Beschichtungen der Ringe verwendet. Zusätzlich dazu soll die Leistungsdichte der Kolbenmaschine erhöht werden, was zumeist zu höheren Drücken führt. Dies ergibt hohe Beanspruchungen der Kolbenringe und deren Beschichtungen, was die Gefahr des Fressens der Ringe erhöht. In dieser Arbeit werden daher unterschiedliche Beschichtungen von Kolbenringen für große Gasmotoren in Generatoren genauer betrachtet und die Fresstragfähigkeiten ermittelt und verglichen. Die hierbei betrachteten Beschichtungen sind Chrom mit Aluminiumoxidpartikel, Chrom mit Nanodiamanten und durch physikalische Gasphasenabscheidung erstellte Chrom- Stickstoff-Kohlenstoff Schichten. Für die Zylinderproben wurde ein Zylinder aus Gusseisen mit Sphärographit verwendet. Um einen Vergleich vor und nach den Versuchen gewährleisten zu können, wurde ein Lichtmikroskop verwendet, um die Oberfläche der Proben, als auch die Querschnitte genauer betrachten zu können. Des Weiteren wurden Analysen in einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt, um auch die Materialzusammensetzung durch energiedispersive Röntgenspektroskopie genauer analysieren zu können. Die Versuche wurden in einem Lineartribometer durchgeführt. Nach einem langen Einlaufvorgang wurde hierbei die Kraft immer wieder nach 45 min um 50 N erhöht. Das Überschreiten der Fresstragfähigkeit ist durch einen plötzlichen starken Anstieg des Reibkoeffizienten gekennzeichnet. Um die Versuche bei Versagen abzubrechen, wurde daher ein Grenzwert des Reibkoeffizienten von 0,25 definiert. Während den Versuchen wurden mehrere Aufzeichnungen durchgeführt, welche dann genauer analysiert wurden. Da die Ringe unterschiedliche Geometrien hatten, mussten die Fresstragfähigkeiten auf die projizierten Flächen bezogen werden, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Der hierbei berechnete Druck spiegelt die realen Verhältnisse in der Kolbenmaschine auch besser wider, da das Anpressen der Kolbenringe an die Zylinderwand über einen aufgebrachten Druck erfolgt. Der ermittelte nominelle Druck war bei Ringen mit einer durch physikalische Gasphasenabscheidung erstellten Schichten am größten. Der Unterschied zu Ringen mit einer Chromschicht mit Aluminiumoxid betrug 49 %. Ringe mit Nanodiamanten anstelle von Aluminiumoxidpartikel in der Chromschicht hatten einen 15 % höheren nominellen Druck. Ringe mit PVD-Beschichtung hatten höhere Spitzen im Reibkoeffizienten bei Krafterhöhung als die anderen geprüften Ringe. Des Weiteren konnte durch Analysen im Lichtmikroskop und im Rasterelektronenmikroskop das Vorhandensein von Triboschichten und Materialübertrag durch adhäsiven Verschleiß zwischen Zylinder und Ring nachgewiesen werden. Dieser adhäsive Verschleiß war bei Ringen mit PVD-Beschichtung nicht so stark vorhanden wie bei den anderen geprüften Ringen, was womöglich auf das Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung und den in der Schicht vorhandenen Stickstoff zurückzuführen ist. In weiteren Arbeiten könnte der adhäsive Verschleiß und die starke Erhöhung des Reibkoeffizienten bei Krafterhöhungen von Kolbenringen mit PVD-Beschichtungen genauer analysiert werden. Von Interesse wären auch Verschleißtests der unterschiedlich beschichteten Ringe. Der Effekt von alternativen Kraftstoffen auf das Versagen der unterschiedlichen Ringe könnte auch geprüft werden.

Dipl.-Ing. Sebastian RAFFL

Titel: “In-Situ Vibrationsmessung an Hydraulikaggregaten zur Inbetriebnahme eines Condition Monitoring Systems”

Kurzfassung 04/2024
In Zeiten, in denen Begriffe wie Digitalisierung, Ressourcenknappheit und Nachhaltigkeit eine große Rolle im Weltgeschehen spielen, werden auch in den heimischen Konzernen Projekte zum Einsparen unnötiger Ausgaben vorangetrieben. So auch in der voestalpine BÖHLER Aerospace GmbH & Co KG, einem renommierten Zulieferer und Entwickler von sicherheitskritischen Komponenten der Luftfahrt. Im Rahmen eines internen Projektes, welches den Inhalt dieser Masterarbeit darstellt, wurde eine Schwingungsmessung an einem Elektromotor eines großen Hydraulikaggregates einer hydraulischen Schmiedepresse implementiert. Ziel des Messaufbaues ist die dauerhafte Überwachung des Maschinenzustandes, um ungeplante Betriebsausfälle, übermäßige Instandsetzung und die damit verbundenen Kosten zu verhindern. Übermäßige Instandsetzung bedeutet hierbei, den intervallmäßigen Austausch von Komponenten der Elektromotoren ohne ein vorliegendes Indiz auf Schädigungen, wodurch in keinem Fall von einer ressourcenschonenden Vorgehensweise gesprochen werden kann. Für die Überprüfung der Machbarkeit des Vorhabens wurde das Projekt zusätzlich von der Montanuniversität in Form des Lehrstuhles für Allgemeinen Maschinenbau unterstützt, durch welchen Messungen mit einem Laser-Doppler-Vibrometer durchgeführt wurden, um die optimalen Messpunkte an den Aggregaten festzulegen und im weiteren Vergleichsdaten zu generieren, mit denen die internen Daten des eigenen Messaufbaues abgeglichen werden sollen. Folgend wurde der Elektromotor nach längerer Recherche mit Beschleunigungssensoren ausgestattet und das messtechnische Equipment dauerhaft aufgebaut. Eine Vorgabe bei der Auswahl der Komponenten war es, das System so zu gestalten, dass es in das bestehende Datensystem des Betriebes integriert werden kann. Dies gilt ebenso für die Software, welche im Weiteren zur Aufzeichnung und Auswertung der Daten notwendig ist. Eine besondere Herausforderung stellte die Auswertung der Daten dar. Sowohl das raue Umfeld des Schmiedebetriebs als auch die angetriebenen Pumpen selbst führten zu starken Einflüssen auf die Ergebnisse der Messungen an dem Elektromotor. Um ungewünschte stochastische, also zufallsbehaftete Einflüsse bestmöglich zu vermeiden, wurden zur Datenaufzeichnung wöchentliche Tests unter möglichst gleichen Bedingungen durchgeführt. Neben dem Vergleich der Ergebnisse zweier unterschiedlicher Softwarepakete, stellen die Auswertung der Messdaten von 18 wöchentlichen Tests einen zentralen Punkt der Masterarbeit dar. Zusätzlich wurde eine Auswertung der gleichzeitig mit dem Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau aufgezeichneten Daten durchgeführt, um zu überprüfen, ob der interne Messaufbau valide Ergebnisse liefert. Die Ergebnisse der Messungen zeigen, dass der realisierte Aufbau der Schwingungsmessung durchaus valide Ergebnisse erzeugt, welche in Zukunft zur Erkennung von Schädigungen der Aggregate beitragen können.

Dipl.-Ing. Arash RIAHI SAMANI

Titel: “Concept development of a body-integrated battery housing”

Kurzfassung 03/2024
Um das Batteriegehäuse nahtlos in die Karosserie (Body in White, BIW) zu integrieren, ist es entscheidend, ein Konzept zu entwickeln, das die Reparatur und den Austausch von Batteriegehäusekomponenten ermöglicht, ohne den BIW erneut öffnen zu müssen. Dieses Konzept sollte so gestaltet sein, dass es ohne eine obere Abdeckung am BIW installiert werden kann, um sowohl wasserdicht als auch kostengünstig zu sein. In der Anfangsphase wurde mithilfe gängiger CAD-Software (Computer-Aided Design) ein Konzept für das Batteriegehäuse unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen des Unternehmens Magna entwickelt. Um dieses Batteriegehäusekonzept zu integrieren, wurden bestimmte Modifikationen an der vorhandenen Plattform vorgenommen. Diese Anpassungen umfassten die Veränderung der Höhe der Flansch um den Bodengruppe, um eine ebene Fläche für die Installation des Batteriegehäuses zu schaffen. Der Rahmen des Batteriegehäuses und die darin untergebrachten Komponenten wurden so konzipiert, dass sie sowohl fest als auch herausnehmbar sind, wobei sorgfältig auf ihr Design und ihre Verbindung geachtet wurde. Anschließend wurden die Vorgehensweise für die Montage und die wasserdichte Abdichtung des Batteriegehäuses am BIW bewertet. Eine umfassende Liste, die das Gewicht einzelner Komponenten und die Produktionskosten detailliert auflistet, ermöglicht einen Vergleich zwischen dem konventionellen Konzept und dem integrierten Konzept. Diese vergleichende Analyse ermöglicht ein klares Verständnis der Vor- und Nachteile des integrierten Konzepts. Im Vergleich zu den alten Batteriegehäusen, die als separate Module installiert wurden, hatten diese ein höheres Gewicht und die Wasserdichtung war herstellerspezifisch. Das integrierte Modell bietet nicht nur eine Gewichtsreduzierung, sondern ermöglicht aufgrund seiner Integration auch eine einfachere Abdichtung bei der Wartung und einen komfortablen Zugang zum Austausch der Batterien. Stichwörter: Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge, Integration des Batteriegehäuses, Body in White, Brandschutz für Batterien

Dipl.-Ing. Gregor HUEBER

Titel: “Aufbau einer Pin/Disc-Modellprüftechnik zur Untersuchung von geschmierten Hochfriktionskontakten”

Kurzfassung 10/2023
Die Anwendung von geschmierten Friktionskontakten wie bei Kupplungen oder Bremsen stellt das tribologische System aus Grund- und Gegenwerkstoff in Form von Scheiben- und Reibmaterial vor neuartige Herausforderungen. Darüber hinaus bedarf es einer neuen Entwicklungsrichtung des umgebenden Fluides hin zur Reibungsmaximierung in Kombination mit Verschleißminimierung, guter Wärmeabfuhr sowie thermischer Stabilität. Für eine eingehende Untersuchung unterschiedlichster Faktoren und Einflüsse ist der Aufbau eines Prüfstandes und die Entwicklung einer Prüfstrategie essentiell. Im Zuge dieser Masterarbeit wurde eine Prüfzelle für einen tribologischen Modelltest, nämlich den sogenannten Pin-on-Disc Versuch, entwickelt, konstruiert und aufgebaut. Darüber hinaus wurde die bestehende Prüfstandsinfrastruktur um eine externe Wasserkühlung inkl. Ölreservoir erweitert. Auf Basis von Vorversuchen konnte ein stabiler Prüfablauf sowie eine programmtechnische Prüfstrategie erarbeitet werden. Für eine erste Vorauswahl von möglichen Werkstoffen für die Pin- und Disc-Proben wurde eine umfangreiche Werkstoffrecherche angelegt, welche durch Analysen im Rasterelektronenmikroskop hinsichtlich Zusammensetzung und Morphologie unterstützt wurde. Als Pin-Werkstoffe wurden in den darauf folgenden Tests ein herkömmlicher organischer Bremsbelag, ein Kupfer-Sinter Kupplungsbelag und ein Gusseisenwerkstoff ausgewählt. Die Disc-Proben wurden aus niedriglegiertem und hochlegiertem Stahl sowie ebenfalls Gusseisen hergestellt. Aus den Versuchen mit zwei unterschiedlichen tribologischen Ölen konnte für den organischen Bremsbelag der höchste Reibwert erzielt werden. Dabei ist jedoch auch der Verschleiß etwas höher, als beim Kupfer-Sinter Kupplungsbelag. Ein Unterschiede in den Reibungskoeffizienten aufgrund Variation des Schmierfluids konnte nur sehr schwach wahrgenommen werden. Die Versuche mit Pin-Proben aus Gusseisen und Disc-Proben aus hochlegiertem Stahl zeigten Fressereignisse und konnten dadurch für die angestrebte Anwendung ausgeschlossen werden.

Dipl.-Ing. Christoph WEINZETTL

Titel: “Machbarkeitsstudie zur experimentellen Verschleißbewertung von Komponenten einer Warmwalzstraße”

Kurzfassung 09/2023
In einer Walzstraße herrschen raue Bedingungen. Glühender Stahl steht in Kontakt mit Komponenten der Warmwalzstraße, dadurch sinkt die Lebensdauer dieser Bauteile. Über kurz oder lang müssen die kontaktierten Bauteile ausgetauscht werden, da sie zu stark verschlissen sind. Dadurch entstehen nicht nur Kosten, sondern auch Stillstandszeiten der Anlage. Manche Komponenten müssen wesentlich häufiger getauscht oder gewartet werden als andere, wodurch die Auslastung der gesamten Walzstraße sinkt.
Abhilfe würde ein für den Anwendungsfall geeigneterer Werkstoff bieten. Ein ”Durchprobieren“ möglicher Werkstoffe im laufenden Betrieb ist aber undenkbar, da das Ausfallrisiko der gesamten Walzstraße zu hoch ist. Zusätzlich treten eine Vielzahl an unterschiedlichen variablen Parametern auf. Dadurch wird eine wissenschaftlich fundierte Auswahl eines Werkstoffes nahezu unmöglich. Die Lösung ist ein Laborprüfstand, mit dem verschiedene Materialien, in einem kontrollierten Umfeld, auf ihre Eignung überprüft
werden können. Im Zuge der Machbarkeitsstudie zur experimentellen Verschleißuntersuchung von Komponenten einer Warmwalzstraße wurde ein eigener Prüfstand konzipiert. Mit diesem Prüfstand soll es in Zukunft möglich sein geeignetere Werkstoffe für einzelne Komponenten einer Warmwalzstraße zu finden. Vorab muss jedoch die Reproduzierbarkeit sowie die Nachstellbarkeit realer Werkstoffverhalten gesichert sein. Das Aufbauprinzip des Prüfstandes ist relativ simpel. Eine horizontal gelagerte Welle
wird mit einem E-Motor angetrieben, an dessen Ende befindet sich die Prüfzelle. Geprüft wird nach der Block-on-Disc Methodik. Die vorgegebenen Randbedingungen (Prüftemperatur = 850°C-1.000°C, Pr¨ufgeschwindigkeit = 25m/s) erfordern eine Erwärmung der Probe. An den Anwendungsfall angepasst wird die Disc induktiv erhitzt. Nach einer Reihe von Einstellversuchen zur Parameterfindung folgten Screeningversuche, anhand derer die Brauchbarkeit des Prüfstandes gewährleistet werden konnte. Die daraus gewonnenen Resultate sind wiederholbar und liefern ein ähnliches Materialverhalten, wie es auch werksseitig bekannt ist. Mit dem Testaufbau lassen sich unterschiedliche Werkstoffe testen. Eine Variation der Prüftemperatur, Prüfkraft und Prüfdauer ist ebenfalls möglich.

Dipl.-Ing. Wolfgang GASPLMAYR

Titel: “Lastverteilungsabhängige Verzahnungsverluste von korrigierten und unkorrigierten Gerad- und Schrägverzahnungen”

Kurzfassung 05/2023
Die Entwicklung effizienter Getriebe in Elektroantrieben ist eine große Herausforderung, um das volle Potential des Elektroantriebs auszuschöpfen und Kundenanforderungen bezüglich Reichweite und Effizienz zu erfüllen. Eine präzise Wirkungsgradvorhersage und Berücksichtigung tribologischer und geometrischer Einflüsse sind notwendig, um Verluste in Stirnradgetrieben im Elektroantrieb zu minimieren. Somit ist das Ziel dieser Arbeit, ein Berechnungsmodell für Gerad- und Schrägverzahnungen abzubilden, dass die Auswirkungen der Mikrogeometrie auf die Lastverteilung berücksichtigt und dem letzten Stand der Technik entspricht. Daraus kann ein verzahnungsspezifischer Verlustkennwert, der lokal-geometrische Zahnverlustfaktor, abgeleitet werden, der den geometrischen Einfluss einer Verzahnung auf ihr Verlustverhalten wiedergibt. Die Arbeit beinhaltet die Grundlagen zur Berechnung der Verlustleistung in einer Stirnradverzahnung, die Beschreibung des Zahnprofils und der gängigen Verzahnungsmodifikationen sowie eine Methode zur Berechnung der Lastverteilung mittels des Verfahrens der Einflusszahlen. Das vorgestellte Berechnungsmodell wird als MATLAB®-Programm umgesetzt und mittels kommerzieller Software und Literaturwerten verschiedener Prüfverzahnungen verifiziert. Der Einfluss der Mikrogeometrie auf das Verlustverhalten wird anhand eines zweistufigen eDrive-Getriebes untersucht, wobei die einzelnen Stufen unterschiedliche Verzahnungsgeometrien und Belastungen aufweisen. Dabei wird festgestellt, dass die Anwendung einer Balligkeit als Profilmodifikation die Lastverteilungsbereiche hoher Gleitgeschwindigkeiten, den Beginn und Ende des Zahneingriffes, erheblich entlasten. Lokal entstehen geringere Verluste und das Wirkungsgradverhalten einer Verzahnung wird erheblich gesteigert. Eine Balligkeit als Flankenlinienmodifikation wirkt sich tendenziell negativ auf das Verlustverhalten aus, da durch Entlastung der Stirnseiten die Lastverteilung in der Zahnmitte zentriert wird und lokal hohe Verluste am Beginn und Ende des Eingriffes entstehen. Solche Modifikationen sind jedoch aus Tragfähigkeitsgründen notwendig. Durch eine Kombination lassen sich die Vorteile beider Korrekturen auf das Wirkungsgrad- und Tragfähigkeitsverhalten vereinen.

Dipl.-Ing. Peter OBERREITER

Titel: “Bruchmechanische Betrachtung korrosiver Vorschädigung an Aluminium-Proben”

Kurzfassung 02/2023
Das Ermüdungsverhalten von modernen, leichtbauorientierten Bauteilen aus Aluminiumlegierungen wird neben den mechanischen Belastungen auch wesentlich durch deren
Umgebungsbedingungen beeinflusst. Diese Umgebungsbedingungen können beispielsweise erhöhte Temperatur, oder aber auch korrosive Medien wie z.B. Streusalz in den Bereichen der Mobilität sein. Korrosionsbedingte Defekte beeinflussen die Betriebsfestigkeit von Bauteilen erheblich und sind daher für verschiedene Wirtschaftsbereiche, wie beispielsweise Automotive und Luftfahrt, von besonderem Interesse. Für eine Ermüdungsbewertung von Materialdefekten wie Gasporen, Lunker oder intermetallische Phasen werden Konzepte aus der linear-elastischen Bruchmechanik bereits mehrfach angewendet. Ein lokalisierter Korrosionsangriff, wie z.B. interkristalline Korrosion, kann beinahe rissähnliche Formen annehmen. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein bruchmechanisches Lebensdauerbewertungskonzept, unter Berücksichtigung des Kurzrissverhaltens, für vorgeschädigte Versuchsproben aus einer dendritisch erstarrten AlSi9Cu3-Kokillengusslegierung, realisiert. Diese Aluminiumlegierung besitzt einen mittleren Sekundärdendritenarmabstand (SDAS) von 22μm und eine Härte von 121 HBW1/10. Für das Bewertungskonzept wurden bruchmechanische Kennwerte anhand von SENB- und proportional verkleinerten Miniatur-SENB-Proben nach dem Laststeigerungsverfahren ermittelt. Zur Validierung der Lebensdauerbewertungsmethodik wurden zwei Wöhlerlinien mit Versuchsproben im polierten und vorkorrodierten Oberflächenzustand experimentell ermittelt. Die vorkorrodierten Versuchsproben wurden im Labor bei Raumtemperatur für 20 h in einer sauren wässrigen Salzlösung korrodiert. Die Korrosion an den vorgeschädigten Versuchsproben trat lokalisiert in den eutektischen Bereichen mit einer maximalen Korrosionstiefe von acorr,max = 295μm auf. Die Ergebnisse aus den Ermüdungsversuchen für vorkorrodierte Versuchsproben zeigen eine Abnahme der Langzeitfestigkeit bei 107 Lastzyklen um 34% im Vergleich zu den polierten Versuchsproben. In den durchgeführten numerischen Rissfortschrittssimulationen wurde die Korrosion als rissförmiger Oberflächendefekt mit einer Tiefe gleich der maximalen Korrosionstiefe acorr,max = 295μm angenommen. Als Defektgeometrie wurden elliptische Anrisse mit verschiedenen Halbachsenverhältnissen angewendet. Unter Berücksichtigung des Kurzrissverhaltens liefert die Restlebensdauerbewertung konservative Ergebnisse mit einer Abweichung der ertragbaren Spannungsamplitude, bei 107 Lastzyklen, von 4,5 % − 31,8 % zu der experimentell ermittelten Ermüdungsfestigkeit der vorkorrodierten Versuchsproben.

Dipl.-Ing. Mohsen MOHAMMAD AGHAEI

Titel: “Implementation of a material model under consideration of ageing in a commercial FEA software”

Kurzfassung 01/2023
Bei der Berechnung von Bauteilen aus aushärtenden Werkstoffen, die thermisch-mechanisch beansprucht werden und eine gleichmäßige Temperaturverteilung aufweisen, werden hohe Anforderungen an das Werkstoffmodell gestellt. Für die Simulation solcher Lastfälle wird ein Modell benötigt, das es ermöglicht, die Auswirkungen der Alterung auf die Materialeigenschaften über das gesamte Temperaturprofil zu berücksichtigen. In dieser Studie wird ein erweitertes physikalisch basiertes Alterungsmodell vorgestellt, das verschiedene Alterungs- und Prüftemperaturen berücksichtigt. Unter einachsigen, dehnungskontrollierten, isothermen Belastungsbedingungen und bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 250°C wurde das verbesserte Modell an die Daten der Al-Si-Mg-Cu-Legierung angepasst. Im Gegensatz zu den früheren Modellen weist dieses Modell bei Temperaturen über 200°C eine wesentlich höhere Genauigkeit auf. Dieses aktualisierte Modell kann zur Simulation thermomechanischer Ermüdungsversuche auf Zyklusbasis verwendet werden.

Dipl.-Ing. Maximilian NEURURER

Titel: “Validation of a New Method to Compute the Gearing Tooth Root Failure”

Kurzfassung 09/2022
Härten ist eine gängige Methode, um die mechanische Festigkeit von Bauteilen durch Gefügeumwandlung zu erhöhen. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen untersucht, die als Haupttreiber für die Änderung der mechanischen Eigenschaften angenommen werden; zum einen die erhöhte Härte des Oberflächenmaterials und zum anderen die Druckeigenspannung, die durch die Volumenausdehnung während der martensitischen Umwandlung entsteht. Die entwickelte Berechnungsmethode berücksichtigt diese beiden Effekte und ermöglicht damit eine effiziente vereinfachte Berechnung der statischen Festigkeit von Ritzeln. Nach derzeitigem Stand der Technik werden komplette Prozesskettensimulationen zur Modellierung gehärteter Ritzel verwendet. Der Aufwand und die Anzahl der benötigten Parameter dazu ist enorm. Die neue Berechnungsmethode umgeht dieses aufwändige Verfahren. Ziel ist es, synthetisch ein Finite Elemente Modell zu erzeugen, das sowohl ein realistisches Härtebild als auch einen Eigenspannungszustand aufweist ohne die dahinterstehende Gefügeumwandlung zu berechnen. Der Vergleich einer Finite Elemente Simulation mit experimentellen Ergebnissen von statischen Gewaltbruchversuchen dient der Validierung der entwickelten Methode. Es werden vier verschiedene Versionen des Ritzels getestet. Sie unterscheiden sich in der Härtebehandlung. Ritzel 1 weist eine Oberflächenhärte von 650 HV und eine Einhärtetiefe von 0, 8 mm auf und wurde von einem Zulieferer hergestellt. Die Spezifikationen dieses Ritzels stimmen also mit dem Serienteil überein. Das Simulationsmodell erreicht eine Genauigkeit von unter 2, 2 %. Ein Vergleich des Ergebnisses von Ritzel 1 mit den anderen 3 Ritzeltypen führt zu folgenden Schlussfolgerungen. Das Simulationsmodell kann die Auswirkungen unterschiedlicher Oberflächenhärten reproduzieren. Allerdings sagt das Simulationsmodell durchgängig einen Festigkeitsanstieg bei höherer Einhärtetiefe voraus, während die durchgeführten Gewaltbruchversuche ein abnehmendes Festigkeitsverhalten bei zunehmender Dauer des Härtungsprozesses zeigten. Es wurde angenommen, dass Eigenspannungen der Schlüsselmechanismus hinter diesem Verhalten sind. Die durchgeführten Simulationen zeigen allerdings, dass die Eigenspannung aufgrund der starken Plastizierungen bei den Gewaltbruchversuchen keinen Einfluss auf die Festigkeit haben. Nach derzeitigem Kenntnisstand ist der festigkeitsmindernde Effekt nicht erklärbar. Es stelltesich heraus, dass es einen Mechanismus geben muss, der noch nicht berücksichtigt wurde und der den Unterschied zwischen Simulation und Experiment verursacht.

Dipl.-Ing. Raphael SCHARF

Titel: “Experimental wear evaluation of a diamond-like carbon coated pin and a steel roller using a modified components test”

Kurzfassung 09/2022
Durch eine Erhöhung der Lebensdauer von Bauteilen könnten jährlich einige Gigatonnen an Ressourcen eingespart werden. Daher werden Verschleißschutzmaßnahmen immer wichtiger, denn durch diese kann die Einsatzdauer von Bauteilen signifikant erhöht werden. Zur Verbesserung des Verschleißverhaltens von Oberflächen werden diese beschichtet. Eine weit verbreitete Beschichtung ist DLC (Diamond-like carbon), die aus sp3- (diamantähnlichen) und sp2- (kohlenstoffähnlichen) Bindungen besteht. Neben Verschleißschutz ist die Reduktion von Reibung ein gegenwärtiges Forschungsthema. Um die Reibung in Motorkomponenten zu vermindern, werden reibungsreduzierende Additive (FMs) den Ölen zugesetzt. Ein Beispiel für ein solches Additiv ist MoDTC (Molybdän-Dithiocarbamate). Das Verschleißverhalten von DLC Schichten wird jedoch durch MoDTC negativ beeinflusst, da MoDTC Molybdäncarbide und -oxide bildet, die die DLC Oberfläche angreifen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Prüfstand für den Kontakt zwischen einem rotierenden Zylinder und einem stillstehenden Stift entwickelt, der auf dem Rotationsmodul des Tribometers SRV5 aufgebaut wurde. Neben Laststufensteigerungsversuchen wurden Konstantlastversuche durchgeführt. Die Schmierung der Kontakte erfolgte über eine Schlauchpumpe. Zwei unterschiedliche Öle wurden untersucht, wobei eines einen signifikant höheren Mo-Gehalt aufwies. Die Viskosität beider Öle war ähnlich. Versuche mit dem Öl, welches einen höheren Mo Gehalt aufwies, zeigten deutlich erkennbaren Verschleiß mit einer Tiefe von etwa 1, 3 μm. Die Oberfläche der Versuche mit Mo freien Öl war unbeeinflusst und nur einzelne Kratzer, mit einer Tiefe von 1 μm, waren zu erkennen. Dieses Ergebnis, dass ein höherer Mo Gehalt in den Ölen zu mehr Verschleiß führt, wurde durch Modellversuche in der Literatur bestätigt. Abhängig von der Versuchsdauer wurde die DLC Oberfläche entweder poliert oder poliert und anschließend die Beschichtung abgelöst, was die Literatur für Modellversuche ebenso bestätigte. Im Rahmen dieser Arbeit konnte somit gezeigt werden, dass die bereits publizierten Modellversuche und die durchgeführten Komponentenversuche zu ähnlichen Ergebnissen führen. Der Vorteil der Komponentenversuche ist, dass hier wirklich Motorenkomponenten geprüft und nicht vereinfachte Geometrien als Prüfkörper verwendet werden. Somit sind solche Komponentenversuche anwendungsnäher. Trotz der festgestellten Ergebnisse sind weitere Versuche erforderlich, um die Reproduzierbarkeit dieser zu bestätigen.

Dipl.-Ing. Markus LIEBENWEIN

Titel: “Entwicklung einer Methodik zur tribologischen Prüfung von Kolbenhemd und Zylinderlaufbuchse”

Kurzfassung 06/2022
In dieser Arbeit wurde das tribologische System zwischen Kolbenhemd und Zylinderlaufbahn mithilfe eines Modelltests auf zwei Prüfmaschinen im Detail geprüft und analysiert. Dabei wurde einerseits das SRV®5 der Firma Optimol Instruments Prüftechnik GmbH und andererseits das TE77 der Firma Phoenix Tribology Ltd für Versuche verwendet. Außerdem wurden zwei unterschiedliche Beschichtungen des Kolbenhemds miteinander verglichen. Beschichtung A besteht dabei hauptsächlich aus Kohlenstoff und ist mit etwa 10μm in den Welligkeitstälern relativ dünn, in den Spitzen ist diese Beschichtung noch dünner mit etwa 5μm. Beschichtung B besteht aus einer Titanoxid Legierung und ist mit etwa 15μm etwas dicker als Beschichtung A. Die Versuche wurden bei unterschiedlichen Prüfbedingungen durchgeführt und anschließend der Verschleiß der Proben gemessen und verglichen. Zur Messung des Verschleißes wurde eine Methode entwickelt, in der die ursprüngliche und verschlissene Oberfläche der Probe vermessen und anschließend approximiert wurde. Aus der Differenz beider Kurven wurde schließlich ein Wert für den Oberflächenverschleiß errechnet, der über alle Versuche verglichen wurde. Bei den Versuchen des SRV mit einem Hub von 5mm zeigte sich, dass die Oberfläche mit Beschichtung A bereits innerhalb kürzester Zeit schwere Verschleißerscheinungen zeigt und nach wenigen Minuten bereits vergleichbare Verschleißtiefen messbar sind, wie bei einem gelaufenen Motorkolben mit derselben Beschichtung. Außerdem konnte in diesen Versuchen gezeigt werden, dass der Oberflächenverschleiß des Kolbenhemds zu Beginn des tribologischen Prozesses sehr schnell voranschreitet und sich nach einer gewissen Zeitspanne deutlich verlangsamt. Der Verschleiß verlangsamt sich dabei, sobald die Spitzen der Oberflächenwelligkeiten verschlissen sind und Beschichtung A mehrheitlich entfernt wurde. Bei Beschichtung B konnte ein ähnlicher Effekt nachgewiesen werden, bei dem zunächst die Spitzen der Welligkeit in kurzer Zeit verschleißen, bevor sich ein stabilerer Zustand mit langsamerem Verschleiß einstellt. Dabei ist im Fall von Beschichtung B allerdings noch kein flächiger Verschleiß der Beschichtung zu sehen, und lediglich in den Spitzen sind schmale Bänder des Grundmaterials zu sehen. Allerdings verlangsamt sich der Verschleiß bei Beschichtung B früher als im Fall von Beschichtung A und auch der Reibungskoeffizient ist während dem gesamten Versuch niedriger als bei Beschichtung A. Die Versuche des TE77 ergaben zusätzlich, dass dieser Effekt nur bei geringen Hüben auftritt, denn bei Versuchen mit einem Hub von 12, 5mm oder 25mm ergaben sich mit etwa 30% im Vergleich zu den SRV Versuchen wesentlich geringere Verschleißwerte bei Beschichtung A. Hier wurden auch unterschiedliche Betriebsbedingungen geprüft, wie beispielsweise eine Verringerung der Schmiermittelmenge auf 20% oder eine Erhöhung der Prüfkraft auf das Doppelte. Auch bei diesen Untersuchungen änderte sich das Verhalten von Beschichtung A nicht nennenswert. Es wurden für alle Versuche mit Beschichtung A bei Hüben von 25mm oder 12, 5mm vergleichbare Verschleißwerte gemessen. Bei Versuchen mit 5, 6mm Hub am TE77 konnten allerdings vergleichbare Ergebnisse zu den Versuchen am SRV erzielt werden. Bei Beschichtung A ergibt sich somit ein Effekt durch unterschiedliche Hübe auf das Verschleißverhalten der Beschichtung im tribologischen Modelltest. Für Beschichtung B konnte kein derartiger Effekt gezeigt werden und alle Versuchsergebnisse lagen unabhängig vom Hub des Tests in derselben Größenordnung.

Dipl.-Ing. Kianush AKBARIAN

Titel: “Normbasierte Überprüfung der elastischen Stabilität von Stahlbauteilen anhand der Finite-Elemente-Methode”

Kurzfassung 06/2022
Diese Arbeit untersucht die Auswirkung des Beulens und Knickens auf Walzprofile und Schweißprofile und die Tragfähigkeit von Stahlbauteilen. Die Studie ist in zwei Hauptthemen - beulgefährdete Bleche und knickgefährdete Stäbe - unterteilt. Dazu werden die in Europa bestehenden Normen EN 1993-1 (Eurocode 3) und EN 13001-3 (Kranbaunorm) verglichen. Basierend auf den verwendeten Normen werden die Tragfähigkeit bzw. die Abminderung gegenüber den Streckgrenzwerten für eine Reihe von Konfigurationen auf Basis von linear-elastisch berechneten Ergebnissen und Gültigkeitsbereich für eine Festigkeitsbeurteilung unter Druckbeanspruchung, Biegebeanspruchung und ggf. kombinierter Beanspruchung ermittelt. Auch wird der Gültigkeitsbereich des linearen Berechnungsansatzes diskutiert. Anschließend werden das Beulverhalten und das Knickverhalten der betrachteten Profile durch numerische Berechnung mit dem FEM-Programm „MSC-Patran/Nastran“ simuliert und mit den Berechnungsergebnissen der verschiedenen Normen verglichen. In der numerischen Simulationsstudie wurden die Schalen- und Balkenmodelle mit unterschiedlichen Belastungen und Randbedingungen aufgebaut und ausgewertet. Der vorliegende erste Teil der Arbeit liefert eine simulationsbasierte Datenbasis für normgerechte Stabilitätsprobleme, die auf der Grundlage der normbasierten Lastfälle für Schalen- und Balkenmodelle abgeleitet wurden. Der Unterschied zwischen der Auslegung nach Norm- und den linear-elastischen FEM-Ergebnissen ist im Allgemeinen vernachlässigbar gering und die FEM-basierten Berechnungen liefern somit eine sehr gute Lösung. Anzumerken ist, dass die Auslegung nach Eurocode 3 die Lastfälle genauer berücksichtigt, da die Biegebeanspruchung in den Kranbaunormen (EN 13001-3) im Knickfall nicht berücksichtigt wird. Der zweite Teil dieser Studie befasst sich mit Beulstabilitätsproblemen von dreiseitig und vierseitig gelenkig gelagerten Platten. Eine linear-elastische Beulsimulation wurde für kombinierte Beanspruchung (Druck und Biegung) aufgebaut. Das Tragverhalten dieser Bauteile und die Auswirkungen verschiedener Parameter wie Geometrie, Einspannung und Belastungsart wurden analysiert und parametrisierte Berechnungsansätze abgeleitet. Es wurde festgestellt, dass je dünner oder breiter die Platte ist, desto geringer wird die Tragfähigkeit und es erhöht sich der Auslastungsgrad. Die numerische Berechnung mittels finiter Elemente liefert im Vergleich zur Norm akzeptable Ergebnisse, wobei die Abweichungen darin begründet sind das Imperfektionen nicht berücksichtigt wurden. Zusammengefasst kann die in dieser Aufgabenstellung verwendete Art der FE-Simulation sehr gut zur normgerechten Beurteilung von Beul- und Knicklastfällen verwendet werden.

Dipl.-Ing. Carina MAGER

Titel: “Numerische Parameterstudie zur optimierten und modularen Schweißpfadplanung einer repräsentativen additiv gefertigten Ti-6Al-4V Struktur”

Kurzfassung: 06/2022
Die vorliegende Arbeitbeschäftig tsich mit eine reffizienten Pfadplanung für die eigenspannungs-und verzugsoptimierte Fertigung von Strukturen der Luft-und Raumfahrtindustrie mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Als Basis dieser Arbeit dient ein additiv gefertigter, repräsentativer Prototyp, bei dem eine effiziente Pfadplanung realisiert werden soll. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau und die Entwicklung eines automatisierten Pfadplanungsprogrammes für die additive Fertigung dünnwandiger Strukturen. Das entwickelte Pfadplanungsprogramm besteht grundsätzlich aus drei Modulen, dem Optimierungsmodul, dem Berechnungsmodul und dem eigentlichen Pfadgenerator. Letzterer gibt die gewählten Pfad ein einem für das Simulationsprogrammkompatiblen Format aus. Das Optimierungsmodul stellt die Pfadvariationen (Reihenfolge der Pfade) für das Berechnungsmodul bereit. Aufgrund der großen Anzahl anzuberechnenden Varianten wurde ein Stufenplan entwickelt, der die Anzahl möglicher Varianten signifikant reduziert. Das Berechnungsmodul errechnet für jede Pfadvariation einen normierten Energieeintrag. Die Ergebnisse des Energieeintrages aus dem Berechnungsmodul werden in das Optimierungsmodul zurück gegeben und in weiterer Folge bewertet, wobei eine vorher definierte Kostenfunktion zur Bewertung dient. Als Kostenfunktionen wurden die Streuparameter Spannweite,Varianz und Standardabweichung betrachtet. Die Minimierung dieser Parameter soll eine möglichst gleichmäßige normierte Energieverteilung während des Aufbaus des repräsentativen Prototypen abbilden. Es wurde ein konventionell geplantes und hergestelltes Bauteil mit der Struktursimulationssoftware simufactwelding® modelliert. Das Simulationsmodell wurde mit den experimentellen Daten abgeglichen und diente in weiterer Folge als Referenz zur Beurteilung der Simulationsergebnisse aus den Parametervariationen. Der Abgleich der experimentellen Daten mit der Simulation zeigt dabei eine gute Übereinstimmung. Die Auswertung der Simulationen mit der optimierten Pfadplanung zeigt, dass der gemittelte Verzug derGrundplatte im Mittelwert über alle Simulationsergebnisse um rund 14% reduziert werden kann und unter Optimierung auf die Kostenfunktion Spannweite des normierten Energieeintrages um 30% verringert werden. Ebenso konnten die Eigenspannungen der Grundplatte im Mittelwert über alle optimierten Simulationen um 12%, und unter Optimierung der Kostenfunktion Varianz um 21% gesenkt werden. Alle untersuchten Kostenfunktionen eigenen sich für die Bewertung der normierten Energieverteilung. Das entwickelte Programm ermöglicht eine zeiteffiziente Pfadplanung von additivgefertigten Strukturen, wobei die Eigenspannungen und der Verzug im Vergleich zum konventionell geplanten Bauteil verringert werden können.

Dipl.-Ing. Alexander LAIREITER

Titel: “Studie des Oberflächeneinflusses und statistischer Mikrostrukturparameter auf die Ermüdungsfestigkeit”

Kurzfassung: 04/2022
Gussserienbauteile finden in der Technik und im Automobilbau breite Anwendung. Insbesondere bei komplexen Geometrien, wie dem Zylindergehäuse, ist eine Nachbearbeitung der Oberflächen nur mit hohem fertigungstechnischen Aufwand, bzw. in bestimmten Bereichen technisch nicht möglich. Somit bleiben gussraue Oberflächen partiell bestehen, diese haben jedoch einen wesentlichen Einfluss auf das Ermüdungsfestigkeitsverhalten und somit auf die Lebensdauer der Gussbauteile. Um gussraue Oberflächen bei Aluminiumlegierungen ermüdungsfest zu bemessen, wurde durch das CD-Labor für fertigungsprozessbasierte Bauteilauslegung ein sub-area-basiertes Randschichtbewertungsmodell entwickelt. Dieses wird in der vorliegenden Arbeit durch eine geänderte Guss- und Belastungsrichtung sowie bauteilähnlicher Probengeometrie validiert bzw. erweitert und die Methodik für eine weitere Al-Si-Gusslegierung statistisch angewandt. Aus den untersuchten Werkstoffen EN AC-42100 und EN AC-46200 werden halbringförmige Proben aus einem Gussserienbauteil entnommen und durch eine druckschwellende Kraft auf Biegung beansprucht. Zudem wird die Oberfläche der Halbringe mit einem digitalen Lichtmikroskop aufgenommen und die Kennwerte Taltiefe Sv und multiaxialer Kerbradius ρ ermittelt. Die zyklisch geprüften Proben werden einer Bruchflächenanalyse unterzogen, um den versagensursächlichen Defekt zu ermitteln. Somit kann das Randschichtbewertungsmodell angewendet und die Langzeitfestigkeit statistisch ermittelt werden. Der Vergleich der Oberflächen zeigt, dass der Werkstoff EN AC-42100 (Kt,50% = 3.36) um 30 % höhere Formzahlen zum Werkstoff EN AC-46200 (Kt,50% = 2.32) aufweist. Daraus lässt sich vermuten, dass sich die Langzeitfestigkeiten direkt-proportional verhalten, jedoch zeichnen die Wöhlerversuche ein gegenteiliges Bild. Die normierte experimentelle Langzeitfestigkeit des Werkstoffs EN AC-42100 liegt bei σa,50% = 0.46 und die des Werkstoffs EN AC-46200 bei σa,50% = 0.38. Grund dafür ist die deutlich ausgeprägtere Randschichtporosität des Werkstoffs EN AC-46200 von ca. 0.5 - 2 % in den höchstbeanspruchten Bereichen. Der abschließende Vergleich der experimentellen Langzeitfestigkeit und der durch das Randschichtbewertungsmodell abgeschätzten sub-area-basierten Langzeitfestigkeit zeigt, dass bei beiden Werkstoffen in ca. 93 % die experimentelle Lebensdauer dem Berechnungsansatz konservativ entspricht. Damit ist die statistische Anwendbarkeit des sub-area-basierten Randschichtbewertungsmodells, unabhängig von der primären Erstarrungsrichtung, für Al-Gusslegierungen bewiesen.

Dipl.-Ing. Jakob GUSSMAGG

Titel: “About the wear assessment of valve train components using an experimental screening methodology”

Kurzfassung: 12/2021
Um den Verbrennungsmotor umweltfreundlicher und effizienter zu gestalten, ist eine stetige Entwicklung von neuen Technologien zur Reduktion der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs notwendig. Aus tribologischer Sicht führt diese Entwicklung zu immer höheren Anforderungen an verschiedene Motorkomponenten. Zur Bewertung von Motorölen und -bauteilen und zur Untersuchung ihrer Abnutzung können Motor- und Modelltests verwendet werden. Um den tribologischen Kontakt Kipphebel - Stößel Stange zu testen, wurde im Zuge dieser Arbeit eine experimentelle Screening-Methode entwickelt. Diese soll eingesetzt werden, um Motoröle in der Entwicklung zu testen. Um gewonnene Ergebnisse validieren zu können, liegen Verschleißdaten und Bauteile von Motortests vor. Die Methodik wurde für ein Rotationstribometer entwickelt. Ein Taumelscheibenadapter ermöglichte die Realisierung der oszillierenden Bewegung des Kipphebels. Des Weiteren diente Carbon Black als Rußsubstitut. Die Oberflächenanalyse der Proben zeigte einen übereinstimmenden Schadensmechanismus. Um ein korrektes Ölranking nachzubilden, wurden verschiedene Teststrategien eingesetzt. So wurden die Tests nach dem gravimetrischen Verschleiß, dem Rußverstopfungsverhalten und den Fresslimits bewertet. Letztere wurden durch Bewertung des gemessenen AE-RMS Signals definiert. Durch Abstoppen von Versuchen bei Überschreitung festgelegter Grenzwerte wurden diesen AE-RMS Werten Verschleißzustände zugewiesen und somit die Entwicklungsstadien visualisiert. Die entwickelte Screening Methode konnte durch den Vergleich eines unlegierten Grundöles mit einem vollständig formulierten Ol validiert werden. Die Berechnung von Verschleißkoeffizienten diente als Grundlage für den Vergleich der gewonnenen Tribometerdaten mit den vorhandenen Motorverschleißdaten. Die Ergebnisse der beiden Testarten liegen in der gleichen Größenordnung, was eine gute Nachbildung der Motorbedingungen durch die Screening-Methode belegt. Die aufgezeichneten AE-RMS Daten konnten den gravimetrischen Verschleißwerten über eine Exponentialfunktion zugeordnet werden.

Dipl.-Ing. Anna GAUGELHOFER

Titel: “Implementierung des lokalen Rissschließverhaltens in die numerische Rissfortschrittssimulation”

Kurzfassung: 10/2021
Imperfektionen, welche sowohl im Volumen, als auch an der Oberfläche metallischer Komponenten auftreten können, rufen bei Belastung des Bauteils Spannungskonzentrationen hervor und stellen dadurch Initiationsstellen für Risse dar. Diese wirken sich negative auf die Lebensdauer von Bauteilen aus. In der industriellen Praxis erfolgt die Bewertung rissbehafteter Komponenten vielfach auf Basis der linear elastischen Bruchmechanik. Da Rissfortschrittsversuche zeitaufwändig und auch kostenintensiv sind, rücken numerische Rissfortschrittssimulationen in den Fokus industrieller Bemessungsprozesse. Die im Rahmen dieser Masterarbeit entwickelte Simulationskette bietet die Möglichkeit, lokales Rissschließverhalten einer zwei- und dreidimensionalen Rissgeometrie numerisch zu berechnen. Als Basis dafür dient die modifizierte NASGRO Gleichung, die das Kurzrisswachstum in der Berechnung der Rissfortschrittsrate berücksichtigt. Zur Validierung dieser Simulationskette wurden neun SENB Proben bei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen von R = -1, 0 und 0,5 einem Rissfortschrittsversuch unterzogen. Die bruchmechanischen Materialparameter dienen als Inputparameter der Simulationskette und können über eine implementierte Benutzeroberfläche eingegeben werden. Die Simulationskette bietet hierbei nicht nur die Möglichkeit der automatisierten Berechnung von Spannungsintensitätsfaktoren und Rissfortschrittsraten, sondern auch die Durchführung von Parameterstudien an unterschiedlichen Rissgeometrien. Der Vergleich mit den realen Versuchen zeigt, dass die Simulation eine realistische Abschätzung bezogen auf den Rissfortschritt ermöglicht. Da es bei der Probenvorbereitung oft zu schiefen Rissfronten kommt, wurde eine Parameterstudie über den Einfluss der Schieflage von SENB-Anrissen auf den Rissfortschritt durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass der Einfluss der Winkellage im Langrissbereich durch einen sich einstellenden Ausgleich dieser kaum mehr vorhanden ist. Im Gegensatz dazu ist dieser im Kurzrissbereich ausgeprägter, was dazu führt, dass der Langrissschwellwert früher erreicht wird. Zur statistischen Anwendbarkeit wurden für die SENB-Versuche im Rahmen des CD-Labors für Fertigungsprozessbasierte Bauteilauslegung generalisierte bruchmechanische Materialparameter ermittelt. Es wurde festgestellt, dass es durch die Normalisierung der Bruchmechanikparameter zu konservativen Abschätzungen kommt, insbesondere bei negativen Spannungsverhältnissen. Die Integration des lokalen Rissschließens in der Bruchmechaniksimulation ermöglicht die numerische Lebensdauerberechnung defektbehafteter Gussbauteile.

Dipl.-Ing. Simon PRÜLLER

Titel: “Numerische Analysen zur Schweißpfadplanung komplexer WAAM-Strukturen”

Kurzfassung 06/2021
Diese Masterarbeit untersucht den Einfluss der Pfadplanung beim Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) auf den Bauteilverzug, auf die entstehenden Eigenspannungen sowie auf die Geometrie der aufzubauenden Struktur, speziell fur die Titanlegierung Ti-6Al-4V. WAAM ist ein additiver Fertigungsprozess, bei dem mithilfe eines Lichtbogens das Grundmaterial und der Schweißzusatz in Form eines Schweißdrahtes aufgeschmolzen werden. Auf diese Weise wird eine komplexe Struktur durch schichtweises Hinzufügen von Material aufgebaut. Dabei ist es möglich, Bauteile mit großen Dimensionen und mittlerer Komplexität wirtschaftlich herzustellen. Die sich während des Fertigungsprozesses ausbildenden komplexen Eigenspannungszustände und ein großer Bauteilverzug limitieren den Einsatz dieses Fertigungsverfahrens. Im ersten Schritt dieser Arbeit wurde eine umfangreiche Literaturrecherche hinsichtlich Schweißstruktur- und WAAM-Simulation, Pfadplanung beim WAAM-Prozess mit Optimierung in Bezug auf Eigenspannungen und Verzug sowie WAAM-Strukturen aus Ti-6Al-4V durchgefuhrt. Der experimentelle Teil der Arbeit umfasst die Auswahl einer geeigneten Ersatzstruktur, das Erstellen der Pfadstrategien für die gewählte WAAM-Struktur und die Durchführung der experimentellen Versuche beim Firmenpartner. Der nächste Schritt beinhaltet die numerische Modellierung des WAAM-Prozesses und den thermomechanischen Abgleich der Simulationen mit den experimentellen Versuchsergebnissen. Der Vergleich der numerischen Simulationen mit den experimentellen Versuchen zeigt, dass die Simulation den mittleren Verzug der Grundplatte um rund 18% überschätzt und die mittleren Eigenspannungen entlang der Messlinie um rund 40% unterschätzt werden. Werden die Ergebnisse der thermomechanischen Simulation mit den experimentellen Versuchen für die unterschiedlichen Pfadstrategien miteinander verglichen, können gleiche Tendenzen hinsichtlich Verzug und Eigenspannungen festgestellt werden. Aus diesem Grund eignet sich die thermomechanische Simulation zur Bewertung der Pfadplanungsstrategien. Es konnte durch die experimentellen Validierungsversuche nachgewiesen werden, dass die Pfadstrategie einen Einfluss auf die Geometrie der aufzubauenden WAAM-Struktur, die entstehenden Eigenspannungen im Bauteil und den auftretenden Bauteilverzug hat. Beim mittleren Verzug der Grundplatte konnte eine maximale Abweichung von rund 18% und bei den mittleren Eigenspannungen eine maximale Abweichung von rund 42% beim Aufbau mit unterschiedlichen Pfadstrategien festgestellt werden. Für die Optimierung des Bauteilverzugs, der Geometrie der aufzubauenden Struktur und der Wirtschaftlichkeit sowie die Minimierung der Eigenspannungen zeigt sich, dass eine alternierende Aufbaustrategie pro Schicht hinsichtlich der Schweißpfade zu bevorzugen ist.

Dipl.-Ing. Richard KLÖSCH

Titel: “Entwicklung eines Prüfkonzeptes für die hochfrequente Ermüdungsprüfung von kleinen, bauteilähnlichen Proben”

Kurzfassung 06/2021
Für die Ermüdungsprüfung kleiner, dünnwandiger, bauteilähnlicher Proben mit einem elektrodynamischen Shaker gibt es wenige bis gar keine Erkenntnisse. Die meisten zurzeit verwendeten Prüfkonzepte für diese Shaker nützen die Verstärkung der Amplitude im Resonanzfall der Probe aus. Im Zuge dieser Arbeit wird eine Prüfmethodik entwickelt, bei der es möglich ist, kleine bauteilähnliche Proben im VHCF-Bereich, unabhängig von ihrer Eigen- bzw. Resonanzfrequenz, zu prüfen. Die Grundidee des entstandenen Prüfstands beruht auf dem Entwurf eines Feder-Masse-Systems mit mehreren Komponenten. Diese Komponenten sind so gewählt, dass eine äußere Anregung einen Schwingungsmode hervorruft, bei dem die Probe zwangsverformt wird. Auf Basis dieser Grundidee wird eine Konzeptstudie erstellt, bei der 5 mögliche Ansätze zur Erfüllung der Aufgabenstellung betrachtet werden. Im Zuge dieser Studie werden die Prüfmethode, die Komplexität, die Probeneinspannung und die Art der aufgebrachten Spannung der einzelnen Konzepte untersucht. Diese Eigenschaften werden bewertet und bilden die Grundlage für die Auswahl eines Testaufbaus. Diese Beurteilung wird mit Modal- und Frequenzganganalysen unterstützt, um die beste Variante zu finden. Das ermittelte Konzept wird im Anschluss überarbeitet und optimiert. Dadurch wird ein Modell erstellt, das in der Realität umgesetzt werden kann. Der entwickelte Prüfstand besteht aus einem äußeren und einem inneren System. Hierbei ist das äußere System sehr steif ausgeführt und wird durch eine Rahmenkonstruktion realisiert. Der Rahmen und die Grundplatte sind durch Druckfedern mit der Probe verbunden. Das äußere System führt die Anregungsschwingung aus. Das innere System besteht aus einer Masse, die mit Federn an der Grundplatte angebracht ist und in die die Probe eingespannt wird. Aufgrund der kleinen Dimensionen der Probe wurde ein ausgeklügeltes Spannprinzip entwickelt. Das innere System wird durch die Anregung in Resonanz versetzt und beginnt mit einer starken Verstärkung in vertikale Richtung zu schwingen. Dieser gewünschte Eigenmode besitzt eine Eigenfrequenz von 1670Hz, wobei im umliegenden Frequenzbereich keine Störmoden auftreten. Bei der Anregung des genannten Eigenmodes kommt es zu einer Zwangsverformung der Probe, wodurch eine Spannung in den Prüfkörper eingebracht wird. Laut FEM-Simulationen ruft eine Anregung von 50m/s2 bei einem Dämpfungsgrad von 0,01 eine maximale Relativverschiebung der Probe von 23µm hervor. Dies induziert eine Kerbspannung von 1450MPa. Überwacht und geregelt wird der Prüfstand durch Beschleunigungssensoren, ein LaserVibrometer und eine Kraftmessdose. Da es bei diesen kleinen Proben nicht möglich ist, die Spannung im Querschnitt mithilfe von Dehnmessstreifen zu bestimmen, wird während des Versuchs die Relativverschiebung der schwingenden Masse zu der Grundplatte mithilfe des Laser-Vibrometers berührungslos gemessen. Diese gemessene Relativverschiebung besitzt einen linearen Zusammenhang mit der Kerbspannung, sodass indirekt auf eine konstante Kerbspannungsamplitude geregelt werden kann. Die Kraftmessdose und die Beschleunigungssensoren dienen zum Detektieren des Versagens der Probe.

Dipl.-Ing. Peter ENTFELLNER

Titel: “Fatigue strength assessment of additively manufactured 17-4PH structures considering surface layer effects and residual stresses”

Kurzfassung 06/2021
Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, einen wissenschaftlichen Beitrag zur Dauerfestigkeitsbewertung von 17-4PH-Stahlstrukturen, die durch den Prozess des selektiven Laserschmelzen hergestellt wurden, zu leisten. Es wurden 4 Probenserien untersucht, welche sich in der Wärmenachbehandlung sowie in der Art des Konturlayers beim Druck unterscheiden. Da bei additiv gefertigten Bauteilen die Eigenspannungen einen großen Einfluss auf die Dauerfestigkeit haben, werden sie in dieser Arbeit experimentell mittels Röntgendiffraktometrie ermittelt. Die Eigenspannungen werden auch mittels dem Programm SimufactAdditive numerisch evaluiert und mit den experimentell ermittelten Ergebnissen verglichen. In einem Teil dieser Arbeit, wird der Einfluss der Oberflächenrauheit auf die Dauerfestigkeit betrachtet. Die mit einem Lichtmikroskop aufgenommene, dreidimensionale Oberflächentopographie bildet die Grundlage fur die Ermittlung repräsentativer flächenbezogener Rauheitsparameter. Der Rauheitseinfluss wird durch einen lokalen und einen globalen Ansatz mit den Faktoren, der mittleren Kerbtaltiefe Sv und dem Kerbgrundradius ρ berücksichtigt. Der Ansatz unterteilt die Probenoberfläche in Teilbereiche und berücksichtigt lokale Rauheitsparameter, was zu einer direkten Dauerfestigkeitsbewertung der einzelnen Bereiche führt. Ein globales Konzept mittelt die Maxima der Oberflächenparameter über die gesamte Probenoberfläche und bezieht auch die experimentell oder numerisch ermittelten Eigenspannungen in die Ermüdungsfestigkeitsvorhersage mit ein. Die numerische Nachstellung des Aufbauprozesses der Proben und die daraus resultierenden Eigenspannungen ergaben bei drei Serien eine durchschnittliche Abweichung von 29 % im Vergleich zu experimentell evaluierten Eigenspannungen. Bei einer Serie kommt es zu einer Abweichung von mehr als einem Faktor drei. Daraus lässt sich ableiten, dass genauere Parameter des realen Herstellungsprozesses von Nöten sind, um noch genauere Ergebnisse zu erreichen. Bei der Gegenüberstellung der Abschätzungsmethoden konnte das lokale Konzept mit der geringsten durchschnittlichen Abweichung von -8 % zu den experimentell ermittelten Festigkeiten aufzeigen. Das globale Konzept hat mit dem Einfluss der experimentell ermittelten Eigenspannungen eine durchschnittliche Abweichung von -16 % und mit den numerisch ermittelten Eigenspannungen einen Wert von -18 %. Somit führen beide Methoden zu einer konservativen Abschätzung der Ermüdungsfestigkeit für additiv gefertigte Strukturen, die eine as-built Oberfläche aufweisen.

Dipl.-Ing. Florian FIEDLER

Titel: “Comparison of evaluation methods regarding the tooth root stress for spur and helical gears in pulsator tests”

Kurzfassung 06/2021
Zahnräder zählen zu den wichtigsten und weitverbreitetsten Maschinenelementen. Bei ihrem Einsatz in Getrieben und Maschinenkomponenten ist eine lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit eine Grundvoraussetzung. Aufgrund dessen ist die Bestimmung der auftretenden Spannungen und die darauffolgende betriebsfeste Auslegung von essentieller Bedeutung. Neben der Flankenermüdung haben die auftretenden Zahnfußspannungen einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer eines Zahnrades. Erhöhte Spannungen können zu Anriss und Bruch eines Zahnes führen und damit die ganze Maschinenkomponente unbrauchbar machen. Im Rahmen dieser Arbeit werden unterschiedliche Evaluierungsmethoden fur die Zahnfußspannung, sowohl für geradverzahnte als auch schrägverzahnte Zahnräder, durchgeführt und anschließend miteinander verglichen. Die durchgeführten Methoden unterteilen sich in analytische, numerische und experimentelle Ansätze. Für den analytischen Ansatz erfolgt der Aufbau eines Berechnungsschemas nach ISO 6336-3. Mithilfe einer FE Simulation erfolgt im Anschluss die Ermittlung der Spannungsverhältnisse im Zahnfuß der Zahnräder bei unterschiedlichen Lastniveaus. Für den experimentellen Versuch wird zu Beginn eine Zahnradaufnahme für die Testzahnräder entwickelt und konstruiert. Am Prüfstand erfolgt die Durchführung von statischen und zyklischen Versuchen als auch die Messung der auftretenden Spannungen mithilfe von zuvor angebrachten Dehnungsmessstreifen. Anschließend wird die Evaluierung und Darstellung der Ergebnisse der einzelnen Methoden durchgeführt. Hierfür werden die jeweiligen Ergebnisse der Lastniveaus miteinander verglichen und der Zusammenhang zwischen aufgebrachter Last und auftretender Zahnfußspannung untersucht. Der Vergleich zwischen den analytischen Werten nach ISO 6336-3 mit der FE Simulation zeigt bei drei geprüften Lastniveaus, sowohl bei den geradverzahnten als auch schrägverzahnten Zahnrädern, eine sehr gute Übereinstimmung. So wurden bei der Geradverzahnung eine maximale Abweichung von 4% und bei der Schrägverzahnung eine maximale Abweichung von 8% erreicht Des Weiteren wurde ein direkt propotionaler Zusammenhang zwischen Last und Zahnfußspannung festgestellt. Der Vergleich zwischen den Werten der FE Simulation und den Ergebnissen der Dehnungsmessversuche zeigte bei den untersuchten Lastniveaus für beide Zahnradtypen ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung. So wurde bei der Geradverzahnung eine maximale Abweichung von 8% und bei der Schrägverzahnung eine maximale Abweichung von 4% erreicht. Durch diese Vergleiche konnte festgestellt werden, dass die Spannungen bei den unterschiedlichen Evaluierungsmethoden nahezu ident sind. Dadurch ist die Durchführung der Pulsatortests für die beiden Zahnradtypen validiert.

Dipl.-Ing. Birgit FRIEDRICH

Titel: “Synthesis, Properties and Performance of selected hard and wear resistant Coatings for Metal Cutting Applications”

Kurzfassung 06/2021
Die rasante technologische Entwicklung bringt einen hohen Anspruch an neue, oft schwierig zu verarbeitende Materialien mit sich. Infolgedessen sind auch stetige Anpassungen der Fertigungsverfahren erforderlich. Überdies hinaus verlangt die kontinuierliche Forderung nach Produktionssteigerung in der Metallverarbeitung nach höheren Schnittgeschwindigkeiten und damit auch nach Schneidwerkzeugen mit höherer Verschleißfestigkeit. Zu diesem Zweck wurde ein breites Spektrum von Beschichtungen entwickelt. In der Metallwerkzeugindustrie finden zum Beispiel (Ti, Al)N-Beschichtungen, die durch chemische (CVD) oder physikalische (PVD) Gasphasenabscheidungsverfahren synthetisiert werden, großflächig Anwendung. Um die Eigenschaften dieser Beschichtungen weiter zu verbessern und zu übertreffen, wird gegenwärtig quartären Materialverbindungen wachsende Beachtung geschenkt. Im Rahmen dieser Arbeit werden T i1−x−yAlxMeyN-Beschichtungen (Me = W, Mo oder Cr; x ∼ 0.30 − 0.55 und y ∼ 0.10) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, genauer gesagt durch kathodische Lichtbogenabscheidung, auf WC-Co-Schneidplatten aufgebracht. Längsdrehanwendungen von austenitischem Edelstahl AISI 316L werden genutzt, um das Verschleißverhalten und die Zerspanungsleistung der Beschichtungen zu untersuchen. Anhand von Rasterelektronenmikroskop-Untersuchungen, Röntgenbeugungsanalysen und Reibungsversuchen werden die Beschichtungsdicke, die chemische Zusammensetzung, die Phasenstruktur und das Gefüge, sowie der Eigenspannungszustand mit den vorherrschenden Verschleißmechanismen und der Zerspanungsleistung korreliert. Da im Zuge der Zerspanungsversuche mehrere Verschleißarten, wie Kerbverschleiß, adhäsiver Verschleiß und Kraterverschleiß, auftreten, werden etwaige Einflüsse auf den jeweiligen Verschleißtyp separat analysiert und bewertet. Der Kerbverschleiß tritt als dominanter Verschleiß an der Freifläche auf und wird daher bei allen Schneidversuchen als Standzeitkriterium verwendet. Die Ergebnisse zeigen eine starke Abhängigkeit des an der Spanfläche auftretenden Verschleißverhaltens vom vorherrschenden Titan/AluminiumVerhältnis der Beschichtung. Weiters werden Einflüsse durch die hinzugefügten Legierungselemente festgestellt. Zum Beispiel hat die Zugabe von Wolfram und Molybdän zum Werkstoffverbund, zumindest in gewissem Maße, einen reduzierten Kraterverschleiß auf der Spanfläche zur Folge. Das Hinzulegieren von Chrom zur Beschichtung verbessert die Verschleißfestigkeit hingegen nur in Verbindung mit einem hohen Titan-Gehalt.

Dipl.-Ing. Patrick KÜBLER

Titel: “Mechanische und thermische Simulation eines Formel 1 Einzylinder-Prüfstandsmotors bei extrem hohen Spitzendrücken”

Kurzfassung 03/2021
Damit auch zukünftig Pankl Kurbeltriebs – Komponenten unter den stetig steigenden Belastungen, vor allem in der Formel 1, erprobt werden können, wurde ein von Grund auf neuer Einzylinder – Prüfstandsmotor für das Formel 1 Reglement 2021 entwickelt und konstruiert. In der vorliegenden Arbeit wird auf Basis der vorhandenen Motorgeometrie aus dem CAD und einer bereitgestellten Motorprozessrechnung eine thermische- und mechanische FEM – Simulation des neu entwickelten Prüfstandsmotors unter Spitzendrücken von bis zu 400 bar durchgeführt. Darüber hinaus erfolgt ein Festigkeitsnachweis ausgewählter Bauteile. Das Ziel ist es, während des noch laufenden Entwicklungsprozesses die auftretenden Belastungen in der Motorstruktur vorauszuberechnen und Verbesserungsmaßnahmen vornehmen zu können, bevor ein erster Prototyp gebaut wird. Nachdem im ersten Schritt ein geeignetes Berechnungsmodell erstellt wurde, erfolgte anschließend mithilfe des gekoppelten Einsatzes von FE- und 3D-CFD – Simulation die Berechnung des Kühlmantels. Aus der Analyse der Ergebnisse hat sich besonders im Einlassbereich ein großes Optimierungspotenzial ergeben. Daraufhin wurde ein Strömungsrichter entwickelt und konstruiert, der speziell an die Kühlmantelgeometrie angepasst ist. Zusätzlich wurde der Übergang zwischen Eintritts- und Zylinderbereich konstruktiv modifiziert. Durch die Integration des neuentwickelten Strömungsrichters in den Einlasskanal, kombiniert mit dem optimierten Übergangsbereich, können die Druckverluste gegenüber der Originalgeometrie um ca. 51% reduziert werden. Des Weiteren werden auch die Turbulenzen in der Strömung massiv reduziert. Die Verteilung der Wärmeübergangskoeffizienten ist durch die Optimierung deutlich gleichmäßiger. Das Temperaturfeld des Motors wurde sowohl für die Originalgeometrie des Motors, als auch für die optimierte Kühlmantelgeometrie, berechnet. Mit dem optimierten Kühlmantel kann beim Motorblock Oberteil stellenweise eine Reduktion der Temperatur von bis zu 4,4% und beim Liner von bis zu 3,3% erreicht werden. Mithilfe der aus der CFD – Simulation gewonnenen Erkenntnisse ist das Verbesserungspotenzial von additiv gefertigten Strömungsleitbauteilen in den Kühlmänteln von Einzylindermotoren deutlich geworden. Auf Basis der mechanischen FEM – Simulation konnte schlussendlich die Festigkeitsberechnung durchgeführt werden. Dabei wird bei allen ausgewählten Bauteilen die Sicherheit gegen Dauerbruch nachgewiesen. Somit ist der Betrieb bei Spitzendrücken von bis zu 400 bar gewährleistet.

Dipl.-Ing. Florian BAUER

Titel: “Einfluss von Wärmebehandlung und Oberflächentopographie auf das Ermüdungsverhalten von additiv gefertigten Proben einer Al-Mg-Sc-Legierung”

Kurzfassung 12/2020
Ziel dieser Arbeit ist es, den Wissensstand über eine Al-Mg-Sc-Legierung (bekannt als Scalmalloy®) durch die Charakterisierung der Auswirkung von thermischer Nachbehandlung und mechanischer Bearbeitung der Oberfläche auf die Ermüdungsfestigkeit zu erweitern. Eine erarbeitete Methodik zur Abschätzung der Schwingfestigkeit im druckrauen Zustand unter Berücksichtigung lokaler Größen wie charakteristischer Rauheitskenngrößen und des vorliegenden Eigenspannungszustandes leistet einen wesentlichen Beitrag zur Ermüdungsfestigkeitsbewertung additiv gefertigter Strukturen. Die von einem Kooperationspartner mit Selektivem Laserschmelzen hergestellten Proben wurden in drei Prüfserien zu je 15 Proben eingeteilt. Untersucht wurden polierte Proben ohne (Sc-BC) und mit Ausscheidungshärtung (Sc-HT) sowie druckraue Proben mit Ausscheidungshärtung (Sc-HT(AB)). Die thermische Nachbehandlung erfolgte bei einer Temperatur ≥ 300 °C über einen Zeitraum von 4h. Die druckraue Oberflächentopographie wurde mithilfe eines Digitallichtmikroskops dreidimensional erfasst und unter Anwendung einer computerunterstützten Auswerteroutine wurden charakteristische Rauheitsparameter abgeleitet. Durchschnittlich wurde an den unbearbeiteten Oberflächen eine mittlere arithmetische Höhe Sa von 11.83 µm gemessen und der Erwartungswert der größten maximalen Senkenhöhe Sv zu 43.81 µm evaluiert. Die mechanisch bearbeiteten Probenserien besaßen im Prüfbereich eine Rauheit von Ra 0.4. Die an den Oberflächen der Proben vorliegenden Eigenspannungen wurden durch ein Röntgendiffraktometer zerstörungsfrei bestimmt. Im Prüfquerschnitt wurden Zugeigenspannung in der Höhe von 40.9 MPa an der polierten und wärmebehandelten Probenserie, 67.4 MPa an der druckrauen und wärmebehandelten Serie und 87.3 MPa an der polierten und nicht wärmebehandelten Serie gemessen. Die Langzeitfestigkeit des Werkstoffes wurde durch Schwingversuche an Rundproben bei einem (Last-) Spannungsverhältnis R = −1 auf einer Resonanzprüfmaschine experimentell bestimmt. Die Langzeitfestigkeit der polierten und wärmebehandelten Probenserie lag bei 126.4 MPa, jene der druckrauen und wärmebehandelten Serie bei 89.1 MPa und jene der polierten und nicht wärmebehandelten Serie bei 51.6 MPa. Anhand ausgewählter Konzepte wurde auf Basis der lokalen Materialeigenschaften, Eigenspannungen und Oberflächenkenngrößen eine Langzeitfestigkeit abgeschätzt und mit den experimentell ermittelten Daten verglichen. Die beste Übereinstimmung lieferte ein lokales Konzept mit einer Abweichung von nur einem Prozent. Untersuchte globale Konzepte wiesen hierbei größere Abweichungen von bis zu 21% auf.

Dipl.-Ing. Valiollah PASHANGPOUR

Titel: “Entwicklung eines Rainflow-Zählverfahrens für den Maschinen- und Anlagenbau”

Kurzfassung 12/2020
Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine automatisierte Rainflow-Zählung (RFZ) von Belastungszeitfunktionen (BZFn) nach dem internationalen Standard ASTM E 1049 85 mit dem Softwarepaket IBF-Fatigue vom Ingenieurbüro Fiedler GmbH auf Basis von Finite-Elemente- (FE-) Spannungsergebnissen zu ermöglichen. Die verschiedenen Methoden der ein- und zweiparametrischen Zählverfahren werden im Kapitel Stand der Technik auf ihre Vor- und Nachteile untersucht um deren Anwendungsfähigkeit zur Ermittlung der Belastungsschwingbreiten, Mittelwerte sowie der Ober- und Unterbelastungen für die Zählung der BZFn zu bestimmen. Für die Aufbereitung der ausgewählten RFZ in Form eines Mathcad-Files wurde sowohl ein Rechenablauf für ein Residuum von 0 und 0,5 als auch für die verschobene Kurve Max_Max erstellt. Die Validierung der Funktion und der Ergebnisse im Softwaretool erfolgte mit händisch erarbeiteten Ergebnissen. Eine Analyse des Einflusses der Residuen zeigt, dass die Ergebnisse wesentlich von der Position des maximalen bzw. minimalen Spitzenwertes abhängig sind. Die Klasse 64 kann für beliebige BZFn mit großer Zuverlässigkeit und die Klasse 32 unter Vorbehalt verwendet werden. Der Software wurde zur Reduzierung unnötiger kleiner Schwingbreiten eine optionale Funktion mit auswählbarer Toleranz hinzugefügt, welche den Verarbeitungsprozess mit nur kleinen Abweichungen beschleunigt. Abschließend wurden im Programm die Rainflow-Ergebnisse der exakten Lastkollektive mit den Ergebnissen der klassifizierten Lastkollektive (Klasse 64), sowohl mit dem Residuum von 0,5 als auch mit der Verschiebung Max_Max, verglichen. Dies erfolgte anhand von Testrechnungen der FKM-Richtlinie für Lastkollektive auf geschweißte und nicht geschweißte Stahlbaukomponenten einer exemplarischen Maschine mit verschiedenen FAT-Klassen.. Bei der Berechnung nach der FKM-Richtlinie gibt es innerhalb einer FAT-Klasse zwischen dem exakten Lastspiel und dem Residuum von 0,5 eine Abweichung des Auslastungsgrades von bis zu 2% aufgrund von Klassifizierungen der Lastkollektive. Mit Max_Max kann gegenüber dem exakten Lastspiel ein um bis zu 5% höherer Auslastungsgrad erreicht werden.

Dipl.-Ing. Michael MAIER

Titel: “Simulationsbasierte Verschleißprognose einer hydrodynamischen Gleitlagerung für stationäre Reibungszustände”

Kurzfassung 12/2020
Ein häufig eingesetztes Maschinenelement zur Übertragung von Kräften zwischen Bauteilen sind Gleitlager. Wichtige Anforderungen bei der Auslegung eines Gleitlagers sind geringe Reibung, geringer Verschleiß und eine hohe Ausfallsicherheit. Durch die zunehmend komplexer werdenden Anwendungen einerseits und um Kosten einsparen zu können andererseits, ist die alleinige experimentbasierte Auslegung nicht mehr zeitgemäß. Für die experimentelle Auslegung sind umfangreiche Versuchsreihen notwendig, welche kosten- und zeitintensiv sind. Die numerische Auslegung kann in Zukunft den Auslegungsprozess maßgebend beschleunigen sowie die Kosten reduzieren. In der Vergangenheit wurden diverse Ansätze zur Verschleißberechnung erarbeitet. Allerdings stellt die Nichtlinearität des Verschleißfortschrittes eine besondere Herausforderung dar. Viel Potential bietet die Kombination eines virtuellen Simulationsmodells mit einem hochwertigen physikalischen Experiment. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell zur Berechnung des Verschleißes am Beispiel eines hydrodynamischen Gleitlagers erstellt. Das Modell basiert auf dem Verschleißmodell nach Archard und berücksichtigt dabei die Nichtlinearität des Verschleißes. Dies soll mit einem zeitabhängigen Kontaktmodell und der Anpassung der Lagergeometrie, welche durch den fortschreitenden Lagerverschleiß verursacht wird, realisiert werden. Das Simulationsmodell beinhaltet die Festkörpermechanik zur Beschreibung des elastischen Verhaltens der Bauteile sowie die Makro- und Mikrohydrodynamik, um den Druckaufbau im Schmierspalt zu berechnen. Zur Bestimmung der notwendigen Parameter für das Simulationsmodell und Validierung der Simulationsergebnisse werden physikalische Versuche an einem Rotationstribometer durchgeführt. Durch die Messung des gravimetrischen Verschleißes kann, gekoppelt mit der Simulation, der für das tribologische System spezifische Verschleißkoeffizient C bestimmt werden. Validierungsversuche am Prüfstand werden mit Hilfe der erarbeiteten Methodik nachsimuliert. Gute Übereinstimmungen zwischen experimentell und virtuell bestimmter Verschleißwerte konnten erzielt werden. Erst mit Hilfe des Verschleißkoeffizienten C und des zeitlich lokal aufgelösten Kontaktdruckes kann Verschleiß für komplexere Anwendungen wie Gleitlagerungen lokal und zeitlich detailliert berechnet werden. Es zeigte sich, dass die lokale Geometrieanpassung und der Einfluss des Kontaktmodells eine besondere Rolle spielen.

Dipl.-Ing. Florian BETER

Titel: “Numerische und experimentelle Eigenspannungsanalyse additiv gefertigter (SLM) AlSi10Mg-Strukturen”

Kurzfassung 12/2020
Der Begriff des 3D-Druckens ist mittlerweile weit verbreitet, so sind heutzutage vor allem polymer-verarbeitende Anlagen fur Privatanwendungen günstig zu finden. Auch das industrielle Interesse steigt stetig an, speziell hinsichtlich der metallverarbeitenden Verfahren wie dem Selektiven Laser Schmelzen (SLM). Neben den bekannten Vorteilen der additiven Fertigung liegen die Nachteile zum Teil noch darin, Bauteile mit zuverlässigen mechanischen Eigenschaften zu erzeugen, besonders, wenn additiv gefertigte Komponenten in die industrielle Serienproduktion integriert werden sollen. Dabei stellen vor allem Eigenspannungen die Disziplin der Bauteilauslegung vor neue Herausforderungen, welche jedoch mit Hilfe numerischer Prozessanalysen zur gezielten Untersuchung von Eigenspannungszuständen bewältigt werden können. Die vorliegende Arbeit widmet sich der numerischen Analyse des SLM-Prozesses anhand von AlSi10Mg-Strukturen sowie der experimentellen Validierung anhand von Eigenspannungsmessungen. Neben der Beschreibung der grundlegenden Vorgehensweise und Identifikation von Einflussparametern werden mit Hilfe von Parameteranalysen die möglichen Wirkungen der Einflussparameter auf die numerisch ermittelten Eigenspannungen untersucht. Die Einteilung der Einflussparameter erfolgt dabei in die Gruppen der prozess- und anwenderbezogenen Einflüsse, wobei erstere programmintern individuell oder automatisch definiert und letztere im Zuge der Modelldefinition frei gewählt werden können. Durch den Vergleich der numerischen Ergebnisse untereinander sowie mit röntgenographisch ermittelten Eigenspannungen an ausgewählten AlSi10MgProben, können Empfehlungen für zukünftige numerische Analysen abgeleitet werden. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Auswirkungen der Prozessparameter auf die Eigenspannungen durchaus unterschiedlich sind und von vernachlässigbar klein bis signifikant groß reichen. Besonders die prozessbezogenen Parameter der sogenannten Energy Exposure Fraction und des Volumetric Expansion Factors zeigen, dass deren Eigenspannungswirkung, speziell ohne Kalibrierung oder weitere Untersuchungen, signifikant sind, wobei Unterschiede im Eigenspannungszustand von bis zu -112 % auftreten können. Unter den anwenderbezogenen Parametern zeigen die Vernetzungsgröße mit Unterschieden von bis zu +59 % und die Strukturanzahl mit bis zu -177 % deutliche Effekte, wohingegen andere, wie beispielsweise die Schnittrichtung oder –höhe, keine Wirkung zeigen. Schließlich lässt sich unter den analysierten Modellen eine Konfiguration finden, welche die experimentell ermittelten Eigenspannungen am besten annähert und dadurch als Ausgangsmodell für weitere numerische Analysen dienen kann.

Dipl.-Ing. Stefan WALLNER

Titel: “Untersuchungen zum Einfluss des Gleitschleifens auf die Ermüdungsfestigkeit von Aluminium- und Stahlproben”

Kurzfassung 10/2020
Das Gleitschleifen ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung, wobei der ursprüngliche Zweck dieses Prozesses in der Verbesserung der Oberflächenrauheit und dem Entgraten von Bauteilen bestand. In den letzten Jahren wurde das Gleitschleifen jedoch auch vermehrt zur Steigerung der Schwingfestigkeit eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss des Gleitschleifens auf die Randschichteigenschaften sowie der resultierenden Ermüdungsfestigkeit von Proben aus Stahl (27MnCrB5-2) und Aluminium (AW-2007) zu untersuchen und einen Ansatz für die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit gleitgeschliffener Randschichten auf Basis standardisierter Methoden abzuleiten. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf einer systematischen Analyse des Gleitschleifprozesses sowie des Effekts von unterschiedlichen Prozessparametern auf die lokalen Oberflächen- und Randschichteigenschaften der Proben. Zu diesem Zweck werden Rauheit-Zeit Verläufe experimentell erstellt und die sich ergebende Oberflächenstruktur sowie der Eigenspannungs- und Härtezustand iterativ evaluiert. Nach Ableitung der für den untersuchten Gleitschleifprozess optimalen Prozessparameter werden Proben aus Stahl und Aluminium entsprechend nachbearbeitet und in weiterer Folge zyklisch geprüft. Hierbei werden Wöhlerversuche sowohl für gleitgeschliffene als auch für nicht gleitgeschliffene Proben durchgeführt. Für beide Werkstoffe ergibt sich infolge des Gleitschleifprozesses eine gesteigerte Langzeitfestigkeit, wobei für Stahl eine Erhöhung von 24% und für Aluminium von 20% ermittelt wurde. Zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit wurde das standardisierte Berechnungsschema der FKM-Richtlinie verwendet, wobei die im Zuge der experimentell ermittelten Randschichteigenschaften berücksichtigt worden sind. Die Ergebnisse zeigen eine        Unterschätzung der Langzeitfestigkeit von 1% für die Stahl- und 11,5% für die Aluminiumproben, womit eine zuverlässige und konservative Bewertung anhand der vorgestellten Methodik möglich ist. Als Basis für fortführende Analysen, zur Vertiefung des Wissens über den Gleitschleifprozess und deren Auswirkungen auf die Oberflächen- und Randschichteigenschaften, werden abschließend Empfehlungen für weitere      mögliche Parameterstudien und Untersuchungen gemacht.

Dipl.-Ing. Andreas RÖCKLINGER

Titel: “Implementierung ausgewählter Kriechmodelle in die numerische Simulation des WAAM-Prozesses”

Kurzfassung 10/2020
Die vorliegende Masterarbeit untersucht den Einfluss des Kriechens im Zuge der Prozesssimulation des Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM). Es handelt sich dabei um ein generatives Fertigungsverfahren, das ein drahtförmiges Ausgangsmaterial in Kombination mit einem Lichtbogenschweißprozess verwendet, um durch schichtweisen Materialauftrag Bauteile größerer Dimension und mittlerer Komplexität wirtschaftlich herzustellen. Unter Kriechen versteht man ein viskoplastisches Materialverhalten, das bei bestimmten Werkstoffen, wie der in dieser Arbeit untersuchten Titanlegierung Ti6Al4V, vor allem bei erhöhten Temperaturen und Spannungsniveaus größer Null, auftreten kann. Durch den thermo-mechanischen WAAM-Prozess können wesentliche Eigenspannungs- und Verzugszustände entstehen, welche durch ein mögliches Kriechen beeinflusst werden können, weshalb dieser Effekt im Rahmen dieser Studie im Fokus der Untersuchung steht. Der Beginn der Arbeit beschäftigt sich mit einer Literaturrecherche zum WAAM-Prozess und dessen numerische Simulation sowie zum Kriechverhalten von Ti6Al4V. Ein experimenteller Teil umfasst Kriechversuche zur Untersuchung des Kurzzeitkriechverhaltens des Werkstoffes und zur weiteren Ableitung von ausgewählten Kriechmodellen, welche anschließend in die numerische WAAM-Prozesssimulation implementiert werden. Mit einem einfachen Simulationsmodell, bestehend aus einer 3-lagigen WAAM-Struktur die auf eine Grundplatte aufgeschweißt wird, werden Simulationen unter Verwendung der erarbeiteten Kriechmodelle durchgeführt. Zu-sätzlich wird der Einfluss einer Erwärmung der Grundplatte während des Prozesses untersucht. Die Simulationsergebnisse werden untereinander verglichen sowie mit Messergebnissen experimenteller Untersuchungen validiert. Hierbei zeigt sich, dass bei einer numerischen Analyse ohne Verwendung eines Kriechmodells ein wesentlicher Unterschied bei einer Betrachtung des lokalen Eigenspannungszustandes der Grundplatte zwischen Simulation und Messung auftreten kann. Durch die Implementierung der Kriechmodelle wird diese Abweichung um bis zu 35 % verringert und somit die Vorhersagegenauigkeit der numerischen Simulation verbessert. Generell zeigt sich, dass durch ein vorhandenes Kriechen der lokale Eigenspannungszustand in der WAAM-Struktur um bis zu 51% verringert wird, wobei kein wesentlicher Effekt auf den Verzug der Grundplatte, vorrangig bedingt durch die Verwendung einer verhältnismäßig kleinen, einfachen Modellgeometrie, evaluiert werden konnte.

Dipl.-Ing. Stefan KAPEINDL

Titel: “Auslegung und Optimierung von gefügten SLM-Bauteilen”

Kurzfassung 10/2020
Additive Fertigung stellt eine disruptive Technologie in der Herstellung von Maschinenbauteilen dar - Neue Denkweisen in der Entwicklung und Konstruktion werden möglich. Für Maschinenkomponenten und Serienbauteile ist das selektive Laserschmelzen (SLM) von besonderer Bedeutung, wobei die maximale Bauteilgröße durch die Dimensionen der Prozesskammer begrenzt ist. Prozessbedingt sind für dieses Verfahren einsetzbare Werkstoffe gut schweißbar, wodurch eine Kompensation des begrenzten Bauraumes durch mehrere, verschweißte SLM-Einzelteile naheliegend ist. In dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit des SLM-Verfahrens für größere Strukturen bewertet. Als Beispiel hierfür wird ein Motorradrahmen für ein bestehendes Serien-Motorrad entwickelt. Die vorhandene Fahrzeugarchitektur und bestehende Steifigkeitsziele dienen als Ausgangspunkt für eine Optimierung, welche auf die Kombination aus SLMDruck und Schweißen als potenzielles Fertigungsverfahren für die Kleinserie abzielt. Die Optimierung des Rahmens setzt sich aus einer Werkstoffwahl, Topologieoptimierung und Aufteilung des Rahmens in optimal druckbare Einzelteile zusammen. Durch die Referenzierung auf den Serienrahmen wird sichtbar, ob und wie gut sich der Rahmen mit der Kombination aus Topologieoptimierung und additiver Fertigung gezielt auf die definierten Parameter hin optimieren lässt, wobei eine Reduktion des Eigengewichts erzielt worden ist. Die Nachkonstruktion des finalen Ergebnisses der Topologieoptimierung wird mit einer numerischen Beanspruchungsanalyse validiert. Erkenntnisse aus dieser Simulation fließen durch eine manuelle Formoptimierung in das Ergebnis ein. Für die Aufteilung des Rahmens in druckbare Einzelteile sind einerseits die numerisch ermittelten Spannungen bedeutend und andererseits wird versucht, die Aufteilung in Bezug auf eine Vermeidung von Supportstrukturen, sowie auf die Ausnützung des Bauraumes ideal zu gestalten. Um die Auswirkungen der Schweißnähte auf Ermüdungseigenschaften beurteilen zu können, werden ausgewählte Schweißnahtgeometrien numerisch analysiert und anhand des effektiven Kerbspannungskonzeptes gemäß der IIW-Richtlinie bewertet. Die Ergebnisse zeigen je nach Schweißnahtgeometrie eine Reduktion der Lebensdauer von 95 % bis zu 99 %, wobei lokale Schweißnahtimperfektionen, wie beispielsweise Einbrandkerben, einen signifikanten Einfluss auf das Lebensdauerverhalten zeigen.

Dipl.-Ing. Daniel WUKETICH

Titel: “Development of a Tribological Model Test for Evaluating the Scuffing Resistance of Coated Piston Ring/Cylinder Liner Systems”

Kurzfassung 10/2020
The increasing efficiency of engines makes operating conditions more demanding. Due to this, the necessity for novel coatings, which can withstand these harsher operating conditions, also increases. There are a vast number of different material combinations available, but in regards to real life scuffing performance, very little is known about most of them. To effectively assess the scuffing performance of such systems model testing is employed. This requires an appropriate methodology, which has to be representative of the operating conditions in the engine and has to be versatile enough to determine the scuffing resistance of various tribosystems. In this thesis the process of developing a methodology, with which the scuffing resistance of a number of different tribosystems can be realistically determined, is thoroughly explained. The test specimens were machined out of real engine components that are based on a gas engine. The analysis of scuffed engine parts served as a guide on which damage mechanisms can occur in the engines. A linear tribometer, that received a few special modifications to better accommodate for these tests, served as a test rig. The sensors on the test rig allowed a close observation of the tribosystem during test procedures. Through variation of parameters such as load, time and lubrication the scuffing limits were determined for two different ring-on-liner tribosystems. The challenges of developing a methodology were ensuring the damages on the test specimens were comparable to the damages found on engine parts and that the parameters of the methodology remained realistic. A total of four methodology tests were created, all of which proved to deliver the desired results. The damages, such as crack formations, material transfer and material fatigue, which were found on scuffed engine parts, were successfully reproduced. The last test methodology, for which the lubrication was reduced, proved to have the most potential as the scatter of the results was minimized and the scuffing limit of the standard system was lowered to an acceptable level. It was also demonstrated that with this methodology the differences in performance of the two tribosystems based on engine tests can be reproduced.

Dipl.-Ing. Fabian MAIER

Titel: “Einfluss viskoelastischer Effekte auf das Schwingfestigkeitsverhalten von kurzglasfaserverstärkten Polymeren”

Kurzfassung 10/2020
In dieser Arbeit werden die Auswirkungen der viskoelastischen Effekte auf die Lebensdauer von kurzglasfaserverstärktem (kgfv) Polypropylen (PP) mit 40% Glasfaseranteil untersucht. Diese kgfv Kunststoffe müssen oft in Automobilanwendungen dynamischen und statischen Lasten standhalten. Um die Auswirkung der viskoelastischen Effekte auf die Lebensdauer zu untersuchen wurde ein neues Prüfprogramm entwickelt, mit welchem die Prüfkörper abwechselnd mit zyklischer und statischer Last belastet werden. Eine Variation der Haltezeit von 25%, 50% und 75% und der Haltespannung bei Unterlast (UL), Mittellast (ML) und Oberlast (OL) lässt weitere Aussagen über die Auswirkungen zu. Neben ungekerbten (UK) Prüfkörpern wurden zudem zwei unterschiedliche Kerbradien untersucht. Neben einstufigen Blockversuchen mit R = 0, 1 wurden zur Untersuchung des Mittelspannungseinflusses auch Blockversuche mit R = 0, 5 durchgeführt. Aus den Versuchen ergibt sich eine Verschiebung der Wöhlerlinien, wobei sich bei den UK Prüfkörpern die ML (+4,0%) und die UL (+7,1%) positiv und die OL (-7,6%) negativ auswirkt. Mit zunehmendem Haltezeitanteil werden diese Auswirkungen stärker sichtbar. Für die Charakterisierung der zyklischen Schädigung und der Kriechschädigung wird das Hysterese Messverfahren verwendet. Bei ML und UL kann eine Relaxation des Materials während der Haltezeiten und zyklisches Kriechen während der zyklischen Belastung beobachtet werden. Bei OL kriecht der Kunststoff während der Haltezeiten und relaxiert in den ersten Zyklen der darauffolgenden Halteblöcken. Der Mittelspannungseinfluss M steigt für UK Prüfk ¨ ¨orper bei OL um 3,1% und sinkt bei ML um 10,4% im Vergleich zu rein zyklischen Versuchen. Die ertragbare Spannungsamplitude sinkt von R = 0, 1 auf R = 0, 5 bei Halten auf OL um 39% und bei ML um 37%. Kerben reduzieren die ertragbare Spannungsamplitude, bei ML wirken sich diese mit - 17,8% bzw. -23% fur scharf gekerbte (SK) bzw. sehr scharf gekerbte (SSK) Prüfkörper stärker aus als bei OL (-13,1% bzw. -16,5%). Fur rein zyklische Wöhlerversuche kann bei SK Prüfkörpern (-18%) eine höhere Kerbempfindlichkeit als bei SSK Prüfkörpern (-17%) festgestellt werden. Bei Blockversuchen kann dieses Verhalten nicht mehr beobachtet werden. Eine anisotrope Struktursimulation mit folgender Lebensdauerberechnung ergibt für rein zyklische Versuche eine gute Annäherung. Blockversuche können durch fehlende Schädigungsmodelle noch nicht berechnet werden.

Dipl.-Ing. Manuel SCHNETZINGER

Titel: “Einfluss der Mikrostruktur auf die lokale Schwingfestigkeit von kurzfaserverstärkten Polymeren”

Kurzfassung: 10/2020
Aufgrund des immer stärkeren Leichtbaugedankens werden gehäuft glasfaserverstärkte Polymere wegen deren hervorragenden spezifischen Materialeigenschaften eingesetzt. Um einen sicheren Betrieb der Komponenten ermöglichen zu können, müssen Werkstoffcharakterisierungen zur Dimensionierung unter statischer, quasistatischer und zyklischer Last erfolgen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Gegenüberstellungen der simulierten und der durch µCT-Messungen ermittelten Faserorientierungsverteilung zeigen, dass die auftretenden Abweichungen dem derzeitigen Stand der Technik entsprechen und im kritischen Bereich Diskrepanzen von 29% erreicht werden. Die in der vorliegenden Arbeit durchgefuhrten einstufigen Wöhlerversuche bei R=0,1 und R=-1 zielen darauf ab, den Einfluss der Mikrostruktur von Längs- und Querproben aus 15 unterschiedlichen Entnahmepositionen der standardisierten, spritzgegossenen CAMPUSPlatte auf die lokale Schwingfestigkeit zu ermitteln. Dabei zeigen die Auswertungen der Wöhlerversuche, dass die Längsprüfkörper (L-Prüfkörper) deutlich höhere Lebensdauerwerte als die Querproben aufweisen. Zusätzlich ist bei den L-Proben der Trend ersichtlich, dass die Schwingfestigkeit von der angussnahen Seite bis zum Ende des Fließweges und mit Erhöhung des Abstandes zur Plattenmitte deutlich zunimmt. Die Querprüfkörper verhalten sich hier gegenteilig. Bei der Erhöhung der Mittelspannung zeigen sich sowohl bei den Längs- als auch bei den Querproben Reduktionen von rund 40% in der ertragbaren Spannungsamplitude bei einer Million Zyklen. Durch die Verwendung von Miniprüfkörpern und dem zusätzlichen Vergleich mit Kurzprüfkörpern wird der statistischen Größeneinfluss abgebildet. Dieser kann im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen nicht festgestellt werden. Hierfür sollten weitere Experi- mente erfolgen. Zusätzlich konnte in der vorliegenden Arbeit ein durchgängiger Simulationspfad ausgehend von Shell-Fullsimulation bis zur Lebensdauerberechnung in FEMFAT ¨ ® aufgezeigt werden, wodurch eine Alternative für unzureichende 3D-Fullsimulationen ermöglicht wird. Aus der rechnerunterstützten Lebensdauerabschätzung zeigen sich trotz der vielfältigen Vereinfachungen für die Längsproben brauchbare (6% Abweichung in der ertragbaren Spannungsamplitude bei einer Million Lastwechsel) und für die Querproben steigerbare (16% ) Ergebnisse. Für akkuratere Evaluierungen wird es im Rahmen von weiteren Un- tersuchungen nötig sein, die Materialmodelle zu verbessern

Dipl.-Ing. Michael TILLMANNS

Titel: “Entwicklung einer Prüfapparatur für die hochfrequente Ermüdungsprüfung von dünnwandigen Strukturen”

Kurzfassung 06/2020
Die Schwingfestigkeit von Werkstoffen bei sehr hohen Lastwechselzahlen von mehr als 107 ist in Ermangelung von geeigneten Prüfverfahren mit ausreichend hoher Prüffrequenz bislang unzureichend erforscht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer hochfrequenten Prüfmethodik zur Untersuchung der Schwingfestigkeit von dünnwandigen Strukturen. Als grundlegendes Prinzip wird die Amplitudenüberhöhung bei einer fremderregten Schwingung eines Feder-Masse-Systems in Resonanz herangezogen. Zur Entwicklung der dünnwandigen, schwingungsfähigen Prüfteilgeometrie wird mit Hilfe von Modalanalysen und Frequenzganganalysen eine Parameterstudie durchgefuhrt. Als Erkenntnis gehen daraus die Kerbwandstärke gefolgt vom Kerbradius als die wesentlichsten Merkmale bezüglich des Einflusses auf die Eigenfrequenz und die Spannungsverteilung des Prüfteils hervor. Die rotationssymmetrische Prüfteilgeometrie wird in solcher Weise gestaltet, dass ihre Eigenfrequenz für den ersten axial schwingenden Mode im Bereich von 1000 Hz liegt. Sie hat einen Durchmesser von 30 mm und eine radial veränderliche Dicke mit einem speziellen Prüfquerschnitt von lediglich 0,1 mm Wandstärke. Die dünnwandige Struktur wird durch einen elektrodynamischen Shaker in Resonanzschwingungen versetzt, wodurch der Prüfquerschnitt des Prüfteils sehr hohe Spannungen erfährt, welche je nach eingestellter Anregungsbeschleunigung des Shakers bei bis zu 600 MPa liegen. Als Bindeglied zwischen dem Shaker und dem Prüfteil werden sechs umsetzungsfähige Konzepte fur eine Prüfapparatur entwickelt, in denen das Prüfteil durch unterschiedliche Ausführungen von Spannmutter, Tellerfeder, Spannring und Spannsatz geklemmt wird. Es wird daraus das am besten geeignete Konzept mittels einer ausgearbeiteten Bewertungsmatrix ermittelt. Dieses Konzept fur die Prüfapparatur wird bis zur Fertigungsreife entwickelt und ist so gestaltet, dass das Prüfteil präzise, spannungsfrei und reproduzierbar aufgenommen werden kann. Zur Validierung der Simulationsergebnisse werden das Prüfteil und die Prüfapparatur gefertigt und Versuche zum Schwingungsverhalten durchgeführt. Die Prüfapparatur zeigt eine hohe Schwingungssteifigkeit, da die mit Beschleunigungssensoren ermittelte Durchlässigkeit der Prüfapparatur nahe dem Wert 1 liegt. Die Versuche zeigen ein ausgeprägtes Resonanzverhalten des Prüfteils, wobei ein Anstieg der Resonanzfrequenz bei zunehmender Anregungsbeschleunigung detektiert wird. Die mit Hilfe eines Laservibrometers gemessene Schwingung des Prüfteils ist harmonisch und ohne jegliche Störungen oder Verzerrungen. Die Eignung der Prüfanordnung für die hochfrequente Ermüdungsprüfung von dünnwandigen Strukturen wird dadurch bestätigt.

2017-2011

2010-2002