Am 3. März 2017 eröffnete an der Montanuniversität Leoben das vom Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW) geförderte Christian Doppler Labor für Fertigungsprozessbasierte Bauteilauslegung. In den nächsten sieben Jahren werden hier grundlegende Parameter der Materialermüdung bei Aluminium- und Stahlgussbauteilen, die sich durch den Fertigungsprozess ergeben, erforscht. In diesem CD-Labor wirken als Firmenpartner die BMW AG, Nemak Dillingen GmbH und Siemens AG Österreich mit.

v.l.n.r.: Ao.Univ.-Prof. Jörg Thuswaldner (Montanuniversität), Dr. Martin Leitner (Aalto University Helsinki), Univ.-Prof. Dr. Reinhart Kögerler (Präsident der Christian Doppler Gesellschaft), Rektor Wilfried Eichlseder, Laborleiter Assoz.Prof. Dr. Michael Stoschka, Dr. Thomas Moshammer (Siemens AG Österreich), Dr. Jürgen Fröschl (BMW Group), Dr. Christian Oberschelp (Nemak Dillingen GmbH), Assoc.Prof. Dr. Giovanni Meneghetti (TU Padova)

Das CD-Labor ermöglicht eine Vereinfachung des Designs hoch komplexer Gussteile unter Berücksichtigung lokaler, ermüdungsrelevanter Eigenschaften. Eine derartige grundlagenorientierte Bewertung statistisch verteilter Gefügemerkmale (d.h. einerseits von herstellungsbedingten Abweichungen in Form von inneren Imperfektionen aber andererseits auch durch prozessraue Oberflächen) ist nicht nur auf Gusskomponenten anwendbar. Diese Diskontinuitäten können in einer Vielzahl von weiteren Herstellverfahren auftreten, beispielsweise in Schweißverbindungen oder auch bei generativen Fertigungsverfahren.

Die Beurteilung der Materialermüdung von zyklisch beanspruchten Metallbauteilen, wie sie unter anderem in der Automobil- und Eisenbahnindustrie zum Einsatz kommt, ist nach wie vor eine hoch komplexe Herausforderung. Poren und Einschlüsse können die Lebensdauer von Aluminium- und Stahlgussbauteilen massiv verringern, dennoch sind sie ein unvermeidbarer, prozessbedingter Faktor. Welche Auswirkungen derartige Imperfektionen auf die Ermüdungsfestigkeit eines Gussteils haben, hängt maßgeblich von ihrer Größe und Form, ihrer Lage im Kraftfluss, ihrer Nähe zu anderen Poren oder Einschlüssen und von ihrem Abstand zur Oberfläche ab. Eine statistisch basierte, ganzheitliche Bewertung von volumenbasierten und randschichtnahen Imperfektionen verbessert somit die dauerfeste Auslegung unter Beachtung der lokalen, herstellprozessabhängigen Eigenschaften.

Wissenschafts-, Forschungs- und Wirtschaftsministerium fördert das neue CD-Labor

Erhöhte Dauerfestigkeit bedeutet, dass Bauteile unter zeitlich veränderlicher Betriebsbeanspruchung lokal keine technisch relevanten Schädigungen aufweisen. Dadurch bleiben diese zyklisch beanspruchten Maschinenkomponenten länger funktionstüchtig und können somit materialsparender und leichter ausgeführt werden. Dies ist für alle Branchen von Interesse, bei denen es zu zyklischen Beanspruchungen kommt, zum Beispiel bei Maschinen und Brücken, insbesondere aber bei Fahrzeugen.

„Zu immer effizienterer Mobilität gehört auch, Fahrzeuge und Motoren immer leichter zu machen“, sagt Vizekanzler und Bundesminister  Dr. Reinhold Mitterlehner. „Voraussetzung dafür ist detailliertes Grundlagenwissen zur Dauerfestigkeit von Materialien, das im CD-Labor gewonnen und für die Unternehmen nutzbar wird. Davon profitieren neben direkt beteiligten Partnern auch der Wissenschaftsstandort Österreich sowie die österreichische Autozulieferindustrie.“

Ermüdungserscheinungen charakterisieren

Ziel dieses CD-Labors ist es, diese statistisch verteilten Fehlstellen hinsichtlich ihrer Ermüdungsfestigkeit zu charakterisieren, wobei sowohl einzelne Ungänzen als auch Netzwerke von Imperfektionen berücksichtigt werden. Durch verbesserte Kenntnis der ermüdungsfesten Bewertung von statistisch erfassten Diskontinuitäten wird ein wesentlicher Beitrag zur Grundlagenforschung geleistet.

Die Arbeiten widmen sich sowohl Aluminium- als auch Stahlgussbauteilen, welche grundlegend unterschiedliche Merkmalsgrößen hinsichtlich geometrischer Ausbildung und statistischer Verteilung von Imperfektionen, aber auch auf verschiedenen Längenskalen aufweisen. In einem ersten Schritt sollen Imperfektionen an mit konventionellen Prozessparametern hergestellten Gussbauteilen evaluiert und klassifiziert werden. Im Weiteren sollen die Folgen charakteristischer gusstechnischer Gefügemerkmale für die lokale Ermüdungsfestigkeit durch entsprechende Schwingfestigkeitsversuche und Analysen evaluiert werden. Wesentlich ist die statistische Verteilung der fertigungsprozessabhängigen Imperfektionen als auch deren räumlicher Anordnung im höchstbeanspruchten Volumen. Ziel ist es, aus den gewonnenen Erkenntnissen fertigungsprozessbasierte Qualitätsfaktoren abzuleiten. Die Forschungsergebnisse dieses CD-Labors werden es ermöglichen, die Lebensdauer von zyklisch beanspruchten Gussbauteilen aus Aluminium und Stahl grundlagenbasiert besser bewertbar zu machen sowie Design und Fertigungsprozesse entsprechend zu optimieren.

Über Christian Doppler Labors

In Christian Doppler Labors wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf hohem Niveau betrieben, hervorragende Wissenschaftler kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Für die Förderung dieser Zusammenarbeit gilt die Christian Doppler Forschungsgesellschaft international als Best-Practice-Beispiel. Christian Doppler Labors werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert. Wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW).

Weitere Informationen:
Assoz.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Michael Stoschka
Lehrstuhl für Allgemeinen Maschinenbau
Department Product Engineering
Montanuniversität Leoben
Franz-Josef-Straße 18, 8700 Leoben
Tel.:  +43 3842 402-1455
mobil: +43 664 80898 1455
michael.stoschka@unileoben.ac.at
www.unileoben.ac.at/amb