Entwicklung einer Gieß- und Infiltrationstechnik zur Fertigung von Aluminiumbauteilen mit selektiver Faserverstärkung:
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Düsseldorf
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| adam_text | Titel: Entwicklung einer Gieß- und Infiltrationstechnik zur Fertigung von Aluminium-Bauteilen mit selektiv
Autor: Nolte, Markus
Jahr: 1997
FORTSCHRITTBERICHTE VW Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Markus Nolte, Bonn Entwicklung einer Gieß- und Infiltrationstechnik zur Fertigung von Aluminium- Bauteilen mit selektiver Faserverstärkung Reihe 5 : Grund- und Werkstoffe Nr. 498
V Inhaltsverzeichnis Kurzfassung IX 1. Einleitung und Zielsetzung 1 2. Stand der Technik 9 2.1 Der Werkstoff langfaserverstärktes Aluminium 9 2.1.1 Verstärkungsfasern 9 2.1.2 Aluminium-Matrix 11 2.1.3 Bruchmechanik und Versagensmechanismen 12 2.1.4 Eigenschaften 14 2.1.4.1. Analytische Modelle zur Vorhersage von Eigenschaften 14 2.1.4.2. Mechanisches Verhalten 15 2.2 Fertigungsverfahren für langfaserverstärkte Aluminium-Bauteile 19 2.2.1 Fertigungsbedingungen und Übersicht 19 2.2.2 Schmelzmetallurgische Fertigungsverfahren 19 2.2.2.1. Herstellung der Faservorformen 19 2.2.2.2. Gieß- und infiltrationsverfahren 22 2.3 Anwendungen langfaserverstärkter Bauteile 25 3. Prozeßentwicklung 26 3.1 Verwendete Fasertypen 26 3.2 Darstellung der Fertigungsschritte 26 3.2.1 Wachsimprägnation und Fasenwickeln 26 3.2.2 Wachsmodell-Herstellung 31 3.2.3 Aufbau druckfester keramischer Formen 32 3.2.4 Gasdruckinfiltration 34 3.2.4.1 Theoretische Grundlagen 34 3.2.4.2 Entwicklung einer Gieß- und Infiltrationstechnik 37 3.2.5 Nachbearbeitung und Wärmebehandlung 39 3.3 Untersuchung prozeßrelevanter Größen 39 3.3.1 Optimierung der Prozeßparameter 39 3.3.1.1 Max. Brenntemperatur der Formschalen 42 3.3.1.2 Prozeßtemperaturen der Infiltration 43 3.3.1.3 Infiltrationsdruck 49 3.3.2 Infiltrationsmechanismen 50 4. Die Rolle des Matrixsystems für den Aluminium-Verbundwerkstoff 52 4.1 Reines Aluminium 53 4.1.1 Benetzungs-und Infiltrationsverhalten 53 4.1.2 Grenzflächenausbildung 56 4.1.3 Matrixgefüge und Bruchmechanismus 56 4.1.2 Verbundwerkstoff-Eigenschaften 56 4.2 Binäre Matrixsysteme des Typs Al-X 60 4.2.1 Benetzungs- und Infiltrationsverhalten 63 4.2.2 Verbundwerkstoff-Eigenschaften 66 4.2.2.1 Zugfestigkeit 66 4.2.2.2 E-Modul und Bruchdehnung 68 4.2.3 Grenzflächenausbildung 68
VI 4.2.4 Matrixgefüge und Bruchmechanismen 69 4.2.5 Zusammenhänge zwischen Werkstoffeigenschaften und Analyse- 71 ergebnissen 4.3 Matrixsysteme des Typs Al-Zn-Mg 82 4.3.1 Die Legierungsklasse der Al-Zn-Mg-Legierungen (7000er-Serie) 82 4.3.2 Infiltrationstendenzen 84 4.3.3 Verbundwerkstoff-Eigenschaften 86 4.3.3.1 Zugfestigkeit 86 4.3.3.2 E-Modul und Bruchdehnung 95 4.3.3.3 Einfluß des Faservolumenanteils 96 4.3.4 Auswirkungen von Cu und Ag-Zusätzen 97 4.3.5 Wirkung von Kornfeinungsmitteln 99 4.4 Abschließende Bewertung 103 4.4.1 Eignung der Aluminium-Legierungen als Matrixwerkstoffe 103 4.4.2 Versagensmechanismen 104 5. Methoden zur Charakterisierung sowie weitere Eigenschaften der Faser- 107 Verbundwerkstoffe 5.1 Mechanische Prüfung 107 5.1.1 Messung von statischer Festigkeit und Elastizitätsmodul 107 5.1.1.1 Die anzuwendenden Prüfverfahren: Zug-und Biegeversuch 108 5.1.1.2 Einfluß der Prüfkörpergeometrie 114 5.1.1.3 Die Orthotropie der mechanischen Eigenschaften 120 5.1.1.4 Der zweiachsige Zugversuch 124 5.1.2 Der Kriechversuch 124 5.1.3 Die Ermüdungsprüfung 126 5.2 Weitere Untersuchungsmethoden 131 5.2.1 Messung der thermischen Ausdehnung 131 5.2.2 Die Korrosionsprüfung 133 5.2.3 Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung 135 5.3 Verbundwerkstoff-Recycling 137 6. Wirtschaftlichkeitsüberlegungen und Einsatzmöglichkeiten 140 6.1 Kostenabschätzung für kontinuierlich faserverstärkte Al-Bauteile 140 6.1.1 Kalkulationsgrundlagen 141 6.1.2 Vorstellung zweier Fallbeispiele 143 6.1.2.1 Fallbeispiel 1: Komplexes Kleinserienteil 143 6.1.2.2 Fallbeispiel 2: Geometrisch einfaches Großserienteil 148 6.1.3 Bewertung der Kostenabschätzung 150 6.2 Potentielle Einsatzmöglichkeiten 154 6.2.1 Generelle Überlegungen 154 6.2.2 Einsatzmöglichkeiten in der Luftfahrt 155 6.2.3 Einsatzmöglichkeiten im Automobilbau 156 6.2.4 Sonstige Einsatzmöglichkeiten 158 6.3 Abschätzung des Marktpotentials 160 7. Diskussion und
Ausblick 161 8. Literatur 168
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