Think Big große, aber dennoch splicefreie FML- Strukturen dank Friction Stir Welding

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1 DLR.de Folie 1 Think Big große, aber dennoch splicefreie FML- Strukturen dank Friction Stir Welding M. Besel ( * ), F. Landgraf ( ** ), U. Alfaro Mercado, U. Dreßler ( * ) michael.besel@dlr.de ( ** ) Aleris Rolled Products Germany GmbH Innovation Center Aachen

2 DLR.de Folie 2 Faser-Metall-Laminate was und warum? Hybrides Werkstoffsystem Vereinigung von zwei Werkstoffklassen zu einem Strukturwerkstoff Vorteile Hoher Widerstand gegen Risse und Rissausbreitung Hoher Widerstand gegen Impact-Belastung Verbessertes Korrosionsverhalten Gewichtseinsparung im Bereich %

3 DLR.de Folie 3 b Faser-Metall-Laminate wie? 1. Vorbereitung der Bleche: Abwickeln, Schneiden, 2. Anodisierung & (Bond) Primer 3. FML-Aufbau in 2D/3D-Form (manuell) 4. Autoklav 5. Zerstörungsfreie Prüfung: Ultraschall 6. Weitere Bearbeitungsschritte Aber: Breite Al-Coil << Flugzeug Bilder: Airbus 2005

4 DLR.de Folie 4 Splice was und warum? Herausforderung Konventioneller Splice Limitierte Breite der Aluminiumfolien : bis ca. 1,6 m << Flugzeug Bild: Airbus Realisierung größerer FML-Strukturen bisher mittels Splice Einfacher Ansatz Wir brauchen breitere Folien! Splicefrei dank FSW? Aber wie? Mit FSW!

5 DLR.de Folie 5 Nur noch folgende Fragen 1. Was ist Friction Stir Welding? 2. Funktioniert der FSW-Prozess auch bei Folien? 3. Aber ist der Prozess auch robust? 4. Wie gut sind denn FML mit FSW-Folien?

6 DLR.de Folie 6 Was ist Friction Stir Welding? FSW: Festphasenfügeverfahren (TWI, 1991) Zylindrisches Werkzeug (Schulter, Pin) Drehzahl, Vorschub, Anpresskraft, Anstellwinkel Für dünne Bleche / Folien (hier: 0,4 mm): Werkzeug ohne Pin

7 DLR.de Folie 7 Funktioniert der FSW Prozess auch bei Folien? Beispiel: AA2024-T3 und AA5024-H116 Mikrostruktur (weitere Details hierzu folgen in der Dissertation von Hr. Landgraf) Charakteristische FSW-Mikrostruktur auch bei Folien (Tool ohne Pin) Defektfreie Verbindungen Mechanische Eigenschaften Fließgrenze 100 % Festigkeit 90% Bruchdehnung 8 17% FSW von dünnen Folien ähnlich gut wie FSW dickerer Bleche!

8 DLR.de Folie 8 Aber ist der FSW Prozess auch robust? Beispiel: AA2024-T3 und AA5024-H116 (weitere Details zum DoE folgen in der Dissertation von Hr. Landgraf) Härteprofile am Beispiel 2024 Variation des Vorschubs von mm/min: Qualitativ gleicher Verlauf Quantitative unterschiede im Bereich mm/min sehr gering Festigkeit 2024 FSW-Index immer 88 % 5024 FSW-Index meist 77 % Sehr robuster FSW-Prozess für 2024! Robuster FSW-Prozess für 5024!

9 DLR.de Folie 9 Die entscheidende Frage? 1. Was ist Friction Stir Welding? 2. Funktioniert der FSW-Prozess auch bei Folien? 3. Aber ist der Prozess auch robust? 4. Wie gut sind sind den den FML mit FML FSW-Folien? mit FSW-Folien? ARAMIS zur optischen Dehnungsmessung Zugversuche Einfluss der FSW-Naht auf Dehnungsfeld? Wo versagt die Probe? Festigkeit? Deformationsvermögen der Probe?

10 DLR.de Folie 10 Her mit den Laminaten! Was kann ein 3/2-FML mit FSW-Folien? Aufbau bei PAG Aufbau: 3/2 Metall/GFRP Metall: GFPR: 0,4 mm, AA2024-T3, AA5024-H116 S2 Glass Fibre, Epoxydharzmatrix (FM94) Faserrichtung 0 /90, t = 0,266 mm Sechs Varianten 1) FML ungestört 2) FML mit FSW-Naht in mittlerer Blechlage 3) FML mit einfachem Splice 4) FML mit drei FSW-Nähten übereinander 5) FML mit drei FSW-Nähten diagonal 6) FML mit drei FSW-Nähten verteilt

11 DLR.de Folie 11 Deformationsverhalten und Festigkeit Was kann ein 3/2-FML mit einer FSW-Folie? (weitere Details hierzu folgen in der Dissertation von Hr. Landgraf) FML mit AA2024-Folien Gute Ausnutzung des Deformationsvermögens bei hoher Festigkeit: R splice < R FSW < R GM FML mit AA5024-Folien Gute Ausnutzung des Deformationsvermögens bei hoher Festigkeit: R splice < R FSW < R GM

12 DLR.de Folie 12 Her mit den Laminaten! Was kann ein 3/2-FML mit FSW-Folien? Aufbau bei PAG Aufbau: 3/2 Metall/GFRP Metall: GFPR: 0,4 mm, AA2024-T3, AA5024-H116 S2 Glass Fibre, Epoxydharzmatrix (FM94) Faserrichtung 0 /90, t = 0,266 mm Metall: EN-AW 2024 Glasfaserverstärktes Epoxid Sechs Varianten 1) FML ungestört 2) FML mit FSW-Naht in mittlerer Blechlage 3) FML mit einfachem Splice 4) FML mit drei FSW-Nähten übereinander 5) FML mit drei FSW-Nähten diagonal 6) FML mit drei FSW-Nähten verteilt

13 DLR.de Folie 13 Deformationsverhalten und Festigkeit Was kann ein 3/2 FML mit drei FSW-Folie? Zwischenfazit Bei allen drei Varianten: Versagen jeweils im Nahtbereich bei zuvor ausgeprägter plastischer Dehnung auch außerhalb der Nahtbereiche Varianten Diagonal und Verteilt : höchstes Gesamtdehnungsvermögen bei höchster Festigkeit Gute Ausnutzung des Deformationsvermögens mit Dehnungen bis ca. 4,5 % Vergleich mit realem Splice?

14 DLR.de Folie 14 Deformationsverhalten und Festigkeit Was kann ein 3/2 FML mit drei FSW-Folie? Festigkeiten 100 % Fazit FML mit FSW-Folien zeigen gutes / leicht höheres Deformationsvermögen als ein einzelner realer Splice Festigkeiten mit drei FSW-Folien im Prüfbereich 100 % der Festigkeit mit einem einzelnen Splice Hinsichtlich statischer Festigkeit und Deformationsvermögen sind die splicefreien FML mit FSW- Folien in den hier untersuchten Fällen absolut gleichwertig zu FML mit (einem) Splice!

15 DLR.de Folie 15 Die letzte Frage für heute? 1. Was ist Friction Stir Welding? 2. Funktioniert der FSW-Prozess auch bei Folien? 3. Aber ist der Prozess auch robust? 4. Wie gut sind sind den den FML mit FML FSW-Folien? mit FSW-Folien? Zugversuche Einfluss der FSW-Naht auf Dehnungsfeld? Wo versagt die Probe? Wie ist die Festigkeit? Deformationsvermögen der Probe? ( ) 5. Wie könnte ein Herstellungsprozess mit FSW aussehen?

16 DLR.de Folie 16 b Faser-Metall-Laminate mit FSW Erster Denkanstoß für neue Prozesskette 1. Vorbereitung der Bleche: Abwickeln, Schneiden, + FSW 2. Laser Anodisierung & Vortrag (Bond) Dr. Primer Haubrich et al. ab 15:10 Uhr 3. Gesteigertes FML-Aufbau in Automatisierungspotential 2D/3D-Form (manuell) für FML-Aufbau 4. Autoklav? 5. Zerstörungsfreie Prüfung: Ultraschall 6. Weitere Bearbeitungsschritte Aber: Breite Al-Coil << Flugzeug Bilder: Airbus 2005

17 DLR.de Folie 17 Zusammenfassung & Ausblick Splicefreie FML sind möglich dank FSW! Hohe Festigkeit & Deformationspotential Gesteigertes Automatisierungspotential Zerstörungsfreie Prüfung mittels Ultraschall Untersuchung des Ermüdungsverhaltens Optimierung der FSW-Naht hinsichtlich Oberflächenqualität

18 DLR.de Folie 18 Danksagung Vielen Dank an das BMWi für die Förderung der Arbeiten im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms. HERMET 20W0807B HERMO 20W0909C MTEXT 20W1111B Vielen Dank an die Projektpartner, insbesondere Airbus Premium Aerotec Vielen Dank an die Kolleginnen und Kollegen der Werkstoff-Forschung H. Sauer, E. Dietrich, U. Fuchs, D. Lütz, J. Wischek, K. Kelm, P. Watermeyer, J. Schwinn und viele andere mehr