Forschung im Bereich der Betriebsfestigkeit am Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau

Die Foschungsmethoden des Lehrstuhls für Allgemeinen Maschinenbau lassen sich wie folgt untergliedern:

Charakterisierung des Einflusses von Fertigungsprozessen auf Bauteillebensdauer (basierend auf intrinsischen Merkmalen)

Der Fertigungsprozess bestimmt die intrinsischen Merkmale (Mikrostruktur, Defektverteilung, etc.). Innerhalb von Bauteilen unterschieden sich die lokalen Herstellbedingungen (Abhkühlbedingungen, etc.) wodurch die lokale Bauteilfestigkeit signifikant verändert werden kann. In vergangenen Forschungsprojekten hat der Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau den Einfluss eine Vielzahl von Fertigungsprozessen (Herstellverfahren) systematisch untersuchut und ingenieurmäßig anwendbare Methoden zur Beschreibung des Lebensdauerverhaltens abgeleitet. Anbei eine Auswahl von Fertigungsprozessen:

• Gießen: Sandguss, Druckguss, Kokillenguss, etc.; Werkstoffe: Aluminium, Gusseisen, Stahlguss
• Additive Fertigung: Selective Laser Melting (SLM), Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM); Werkstoffe: Aluminium, Titan, Stahl
• Umformen: Schmieden, Walzen
• Bearbeitung: spanabhebende Bearbeitung, etc.
• Fügetechnik: Schweißen (MAG, MIG, WIG, Laser, etc.), Schrauben; Werkstoffe: Stahl, Aluminium
• Wärme- und Nachbehandlung: Härten, HIP, hochfrequentes Hämmern, Festwalzen

Umfangreiche Berücksichtigung von komplexen Umgebungsbedingungen bzw. Lasten

Der Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau entwickelt maßgeschneiderte Prüftechnik um komplexe Umgebungsbedingungen (Medien, Temperatur, Tribomechanik, etc.) auf Modellmaßstab abzubilden. Ziel ist die in der Realität vorherrschenen Schädigungsmechanismen auf Modellmaßstab nachzustellen und gezielt Einflussgrößen zu variieren.

• Umgebungsmedien (korrosive Umgebung, etc.)
• Alternative Energieträger (Wasserstoff H₂, Ammoniak NH₃, etc.) → Hohlprobe bzw. Hohlprobentechnik (Wasserstoffversprödung)
• Multiaxiale Ermüdung und variable Betriebslasten
• Thermomechanische Beanspruchung bzw. extreme Temperaturen
• Tribomechanische Beanspruchung (Passungsrost, Fretting)
• Tribologische Beanspruchung (Verschleiß, Reibung, Tragfähigkeit)

Effiziente Bauteilauslegung unter Berücksichtigung intrinsischer Materialeigenschaften

Ziel der am Lehrstuhl entwickelten ingenieurmäßig anwendbaren Auslegungsmethoden ist die Berücksichtigung der für das Versagen jeweils verantwortlichen Gefügemerkmale. Dies sind mikrostrukturelle Merkmale (Defekte, Poren, Einschlüsse, etc.) sowie Zustände der Randschicht (Rauigkeiten, Eigenspannungen). Mittels begleitender Analyse- und Messverfahren werden am Lehrstuhl diese Merkmale erfasst und durch Simulationsmethoden auf reale Systeme übertragen.

• Link zwischen Mikrostruktur (lokale Werkstoffqualität) und Schwingfestigkeitsverhalten
• Statistische Konzepte für Bemessung mit geringsten Ausfallswahrscheinlichkeiten (im ppm-Bereich)
• Fundierte Bewertungsmöglichkeit differierender Materialqualitäten (zb. in Bezug zu Sekundärmetallurgie/ Recyclingquote)  →  Technisch wirtschaftliches Produktdesign (Leben mit Imperfektionen)
• Lebensdauerverhalten im Langzeitfestigkeitsbereich bei 10⁷ – 10⁹ Schwingspielen (vor allem in Verbindung mit intrinsischen Gefügemerkmalen; Eignung für erhöhte Gebrauchsdauer)
• Validierende Messtechnik an Bauteilen (lokale Beanspruchungen/Dehnungen, Eigenspannungen, Defektverteilungen, Prozessmonitoring, Passive Acoustic Emission Diagnostic, Predictive maintenance)

Engineering: Ingenieurmäßige Anwendung der entwickelten Methoden

Die am Lehrstuhl entwickelten Auslegungsmethoden werden in realen Anwendungen ingenieurmäßig angewandt und validiert. Neben umfassender Prüftechnik kommen dazu umfangreiche Analyse- und Postprocessingverfahren sowie Simulationsmethoden zur Anwendung.

• Umfangreiche Prüftechnik (Untersuchungen auf Modellmaßstab bis hin zu Bauteilversuch)
• Schadensanalytik & Datenauswertung
• Simulationstechnik (auf Modell- und Bauteilebene):
  • Struktursimulation von globalen bis lokalen Bewertungsmethoden (Spannung, Dehnung, Bruchmechanik)
  • Prozesssimulation (Schweißstruktursimulation, additive Fertigung (SLM & WAAM), Eigenspannungsstabilität)
  • Optimierung (Bauteilstruktur, Prozessparameter, Gebrauchseigenschaften)
  • Fertigungsprozessbasierte Lebensdauerberechnung und Simulation auf Proben- und Bauteilebene