Im Fahrzeugbau ist der Leichtbau ein zentrales Thema, um Gewicht zu reduzieren und die Effizienz zu steigern. Eine Möglichkeit, Konstruktionen leichter zu gestalten, ist der Einsatz von dünnen Blechen mit steifigkeitserhöhenden Strukturen. Diese Strukturen, in Form von Höckern mit einer 6-Eck-förmigen bienenwabenähnlichen Grundfläche, ermöglichen eine Gewichtsreduktion bei gleichzeitig erhöhter Steifigkeit. Das Rollennahtschweißen bietet eine wirtschaftliche Verarbeitungsmethode mit hohen Prozessgeschwindigkeiten und ohne zusätzlichen Schweißzusatzstoff. Durch speziell entwickelte Elektroden konnte die Versteifungswirkung der strukturierten Bleche beim Schweißen erhalten und erfolgreich getestet werden.
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Innovation im Fahrzeugbau: Einsatz von strukturierten Wabenblechen
Strukturierte Wabenbleche bieten gegenüber ebenen Blechen eine erheblich höhere Steifigkeit. Dies ermöglicht es, die Blechdicke zu reduzieren und somit das Gewicht deutlich zu verringern. Zum Beispiel kann die Blechdicke von 0,7 mm auf 0,5 mm reduziert werden, was zu einer Masse-Reduktion von fast 30% führt. Durch das Schweißen von zwei Blechen entstehen Bauelemente mit Hohlräumen, was zu einer weiteren Gewichtsreduktion führt.
Die Verwendung von strukturierten Wabenblechen ermöglicht eine erhebliche Gewichtsreduktion von über 50% bei Bauteilen, da diese eine 12-fache Steifigkeit im Vergleich zu ebenen Blechen aufweisen. Ein praktisches Beispiel dafür ist die Möglichkeit, 3 mm dicke Aluminiumbleche durch 2 x 0,5 mm Wabenbleche aus Stahl zu ersetzen. Dadurch wird nicht nur eine kostengünstigere Konstruktion ermöglicht, sondern auch eine umweltschonendere Lösung geschaffen. Zusätzlich eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel im Wärmetauscher- und Behälterbau, wo die Wabenbleche von Flüssigkeiten durchströmt werden können, um den Inhalt der Behälter zu temperieren.
Steigerung der versteifenden Wirkung bei Rollennahtschweißen von strukturierten Blechen
Beim Rollennahtschweißen von strukturierten Blechen stellt sich das Problem, dass herkömmliche Rollennaht-Elektroden die Wabenstrukturen einebnen und dadurch die versteifende Wirkung der Strukturen reduzieren oder aufheben. Um dieses Problem zu lösen, wurde untersucht, wie dünnen Wabenbleche optimal gefügt werden können. Durch die Entwicklung spezieller Elektroden, die auf die Topologie der strukturierten Bleche abgestimmt sind, kann das Fügen der Wabenbleche beim Rollennahtschweißen erfolgen, ohne die versteifende Wirkung der Strukturen zu beeinträchtigen.
BTU Cottbus und TIME optimieren das Rollennahtschweißen von Wabenblechen durch spezielle Elektroden
In enger Zusammenarbeit mit der BTU Cottbus hat das Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME) ein DVS-Forschungsprojekt zum Rollennahtschweißen von Wabenblechen durchgeführt. Die Experten haben spezielle Elektroden entwickelt, um die versteifende Wirkung der Wabenstrukturen beim Schweißen zu erhalten. Diese Forschungsarbeit trägt zur Weiterentwicklung der Schweißtechnologie bei und eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten im Fahrzeugbau und anderen Bereichen des Leichtbaus durch Gewichtsreduktion und erhöhte Steifigkeit.
Die Experten von TIME und BTU Cottbus-Senftenberg haben im Rahmen des Projekts zwei neuartige Rollennaht-Elektroden für unterbrochene und lineare Schweißnähte entwickelt und hergestellt. Diese Elektroden wurden in Experimenten am TIME und im Praxisbetrieb erfolgreich getestet und ihre Funktionalität wurde nachgewiesen. Sie ermöglichen ein effizientes Fügen von dünnen Wabenblechen beim Rollennahtschweißen, ohne dabei die versteifende Wirkung der Strukturen zu beeinträchtigen. Die Elektroden sind mittlerweile zum Patent angemeldet.
Elektroden mit unterbrochener Profilierung ermöglichen das Fügen von Wabenblechen
Durch die spezielle Anpassung der Elektroden an die Topologie der strukturierten Bleche wird eine Nivellierung der Waben vermieden. Eine der Elektroden weist eine periodisch unterbrochene Profilierung auf, um unterbrochene Schweißnahtlinien zu erzeugen. Mithilfe von lateralen Unterbrechungen in der zylindrischen Kontaktfläche können die Versteifungselemente beim Abfahren der Struktur ohne Verformung übersprungen werden. Hierbei erfolgt eine vertikale Übersprungung der Versteifungselemente.
Die zweite Elektrode ist mit einem zickzackartigen Muster versehen und wurde speziell für konturerhaltende Dichtnahtschweißungen entwickelt. Mit dieser Elektrode können Schweißnähte entlang von Konturen präzise und effizient ausgeführt werden, wodurch eine hohe Dichtheit gewährleistet wird. Zudem bieten beide Elektroden die Möglichkeit, in verschiedenen Kombinationen mit konventionellen Rollengeometrien verwendet zu werden, um den Anforderungen des Schweißprozesses gerecht zu werden.
Durch Optimierung der Schweißnahtqualität deutliche Verbesserung der Verbindungseigenschaften
Um die Verbindungseigenschaften der strukturierten Bleche zu analysieren, wurden umfangreiche Testschweißungen durchgeführt. Dabei wurden Schweißbereichsdiagramme und Prozessfenster erstellt, um die optimalen Prozessparameter zu ermitteln. Die Ergebnisse wurden durch Metallografie-, Festigkeits-, Druck- und Dichtheitsuntersuchungen bei BTU Cottbus-Senftenberg validiert. Es wurden Unterschiede in den Prozessparametern und der Verbindungsausprägung festgestellt, abhängig von der geschweißten Struktur, dem Schweißpfad und dem Werkstoff. Durch die Optimierung der Schweißnahtqualität konnten jedoch sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Neben dem Leichtbau eröffnen strukturierte Bleche weitere Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel als durchströmte Wände in Wärmetauschern. Durch die Variation der Ausrichtung der Strukturen lassen sich verschiedene hohlraumbildende Paarungen und Schweißnähte realisieren. Die Verbindungseigenschaften der verschweißten Wabenbleche wurden gemäß DIN EN ISO 17654 umfassend getestet und erfüllen die Anforderungen. Diese mehrschaligen Bauelemente sind ideal für den Einsatz in Heizkörpern, temperierbaren Behältern und Wärmetauschern geeignet.
Forschungsergebnisse zeigen Potenzial von strukturierten Wabenblechen für verschiedene Branchen
Die Forschung von TIME und BTU Cottbus hat gezeigt, dass der Einsatz von strukturierten Wabenblechen zu einer signifikanten Gewichtsreduktion und einer erhöhten Steifigkeit führen kann. Die eigens entwickelten Elektroden ermöglichen eine optimale Verbindung der dünnen Wabenbleche beim Rollennahtschweißen, ohne dass die versteifende Wirkung der Strukturen beeinträchtigt wird. Dies eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten im Fahrzeugbau, im Wärmetauscher- und Behälterbau sowie in anderen Bereichen des Leichtbaus. Die vielversprechenden Ergebnisse dieser Forschung tragen zu einer nachhaltigen und effizienten Konstruktion bei.
