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

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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 10…20 %

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Faser-Metall-Laminate – was und warum?

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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…

Bilder: Airbus 2005

Aber: Breite Al-Coil << Flugzeug

b

Herausforderung

• Limitierte Breite der „Aluminiumfolien“: bis ca. 1,6 m << Flugzeug

• Realisierung größerer FML-Strukturen bisher mittels Splice

Einfacher Ansatz „Wir brauchen breitere Folien!“ „Aber wie?“

„Mit FSW!“

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Splice – was und warum?

„Splicefrei dank FSW?“

Konventioneller Splice

Bild: Airbus

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?

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Nur noch folgende Fragen…

• FSW: Festphasenfügeverfahren (TWI, 1991) • Zylindrisches Werkzeug (Schulter, Pin) • Drehzahl, Vorschub, Anpresskraft, Anstellwinkel

• Für dünne Bleche / Folien (hier: 0,4 mm): Werkzeug ohne Pin

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Was ist Friction Stir Welding?

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Funktioniert der FSW Prozess auch bei Folien? Beispiel: AA2024-T3 und AA5024-H116 (weitere Details hierzu folgen in der Dissertation von Hr. Landgraf)

Mikrostruktur

• 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!

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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 100…500 mm/min: Qualitativ gleicher Verlauf

• Quantitative unterschiede im Bereich 300…500 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!

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 den FML mit FSW-Folien?

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Die entscheidende Frage?

4. Wie gut sind den FML mit FSW-Folien?

Zugversuche • Einfluss der FSW-Naht auf Dehnungsfeld?

• Wo versagt die Probe?

• Festigkeit?

• Deformationsvermögen der Probe?

ARAMIS zur optischen „Dehnungsmessung“

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Her mit den Laminaten! Was kann ein 3/2-FML mit FSW-Folien?

Aufbau bei PAG

• Aufbau: 3/2 Metall/GFRP

• Metall: 0,4 mm, AA2024-T3, AA5024-H116

• GFPR: 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“

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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 Deformations-vermögens bei hoher Festigkeit:

R“splice“ < RFSW < RGM

FML mit AA5024-Folien

Gute Ausnutzung des Deformations-vermögens bei hoher Festigkeit:

R“splice“ < RFSW < RGM

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Her mit den Laminaten! Was kann ein 3/2-FML mit FSW-Folien?

Aufbau bei PAG

• Aufbau: 3/2 Metall/GFRP

• Metall: 0,4 mm, AA2024-T3, AA5024-H116

• GFPR: 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“

Metall: EN-AW 2024

Glasfaserverstärktes Epoxid

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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“?

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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!

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 den FML mit FSW-Folien?

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Die letzte Frage für heute?

4. Wie gut sind den FML 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?

„Erster Denkanstoß“ für neue Prozesskette

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…

Gesteigertes Automatisierungspotential für FML-Aufbau

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Faser-Metall-Laminate mit FSW

Bilder: Airbus 2005

Aber: Breite Al-Coil << Flugzeug

b www.cleanlaser.de

+ FSW

Laser → Vortrag Dr. Haubrich et al. ab 15:10 Uhr

?

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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

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

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Danksagung