Thermische Fügetechnik

Mit der Entwicklung neuer Fertigungstechnologien ergeben sich für die Herstellung von Komponenten maritimer Systeme neue Perspektiven. Die additiven Fertigungstechnologien (englisch: Additive Manufacturing, kurz: AM) haben sich nicht nur aufgrund ihrer Fähigkeit, endkonturnahe Bauteile mit komplexer Geometrie herzustellen, rasant weiterentwickelt, sondern bieten verschiedene Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren im Bereich der individuellen Bauteilherstellung. Im Rahmen des laufenden Forschungsvorhabens ist neben der Entwicklung einer robotergestützten Bearbeitungszelle und des fertigungsgerechten Entwurfs der Schiffspropeller eine angepasste hybride Prozesskette zu entwickeln, so dass unter Sicherstellung hoher Fertigungsgenauigkeit und Fehlerfreiheit großformatige Bauteile additiv gefertigt werden können.

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Durch den stetigen Ausbau von Offshore-Windparks und anderen Offshore-Konstruktionen steigt auch der Bedarf nach Reparatur- bzw. Instandsetzungskonzepten. Eine Charakterisierung der Ermüdungsfestigkeit nass geschweißter Konstruktionsdetails ist von enormer Notwendigkeit, um zukünftig auch Ermüdungsnachweise für zyklisch beanspruchte Unterwasser-Reparaturschweißungen führen zu können. Sowohl OWEA-Betreiber als auch beauftragte Ingenieurbüros benötigen Kenntnisse über die möglichen Ergebnisse und Folgen einer schweißtechnischen Reparatur unterhalb der Wasserlinie. Eine direkte Einordnung der in diesem Forschungsprojekt gewonnenen Daten in die Kerbfallklassen des Eurocode 3 ermöglicht somit eine Restbetriebsdauerberechnung für den Reparaturfall.

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Im Stahlbau ist das Fügen langer Stöße mittels MSG-Schweißen ein arbeits- und zeitintensiver Fertigungsschritt. Häufig werden hierbei mobile Schweißfahrwerke eingesetzt, mit dem Ziel einer Steigerung der Produktivität bei reproduzierbar hoher Nahtqualität. In der Praxis treten jedoch häufig Schweißnahtfehler und Prozessinstabilitäten aus unterschiedlichen Gründen, z.B. variierende Nahtvorbereitung, auf. Ziel ist es daher, einen Algorithmus sowie Regelsystem zu entwickeln, welches Prozessinstabilitäten beim mechanisierten MSG-Schweißen vor ihrer Entstehung erkennt und verhindert. Hierzu soll ein Prognosemodell entwickelt werden, welches als Führungsgröße einer nachgelagerten Regelung dient.

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In dem Forschungsvorhaben wird die Einsatzmöglichkeit der Induktionstechnologie zur Vor- bzw. Nachwärmung beim nassen Lichtbogenhandschweißen untersucht. Durch den medialen Einfluss treten hohe Wasserstoffeinträge und aufgrund der starken Konvektion hohe Abkühlraten nach dem Schweißen auf. Infolge dessen können kritische Werkstoffeigenschaften sowie Risse resultieren. Die effektive Energieeinbringung mittels Induktion soll zur praxistauglichen Kompensierung unterwasserspezifischer Risiken beim nassen Schweißen genutzt und somit auch das sichere Fügen hochfester Stähle ermöglicht werden. Dies ist zur ökonomischen und qualitätsgerechten Reparatur von Strukturen im Stahlwasserbau erforderlich. Es werden Anwendungsrichtlinien zum Einsatz der Induktionswärmetechnik erarbeitet.

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Die schweißtechnische Verarbeitung dickwandiger Bleche (ab t=25mm) ist bei vielen Konstruktionen im maritimen Bereich in Zwangslagen und unter Baustellenbedingungen notwendig. Das Elektroschlacke-Kanalschweißen ist prädestiniert für Baustellenschweißaufgaben in Steignahtposition und aufgrund der einlagigen Ausführung besonders wirtschaftlich und verzugsarm. Aufgrund fehlender Anlagentechnik und ungenügendem metallurgischen Verständnis wird es jedoch kaum eingesetzt. Ziel ist es daher, eine mobile ES-Kanalschweißanlage für den Einsatz großer Blechstärken an Stumpf- und T-Stößen zu entwickeln, sowie die Anlagentechnik, Schweißtechnologie und Schweißmetallurgie des ES-Kanalschweißens an die europäischen Fertigungsrandbedingungen anzupassen.

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In vielen Branchen des Stahlbaus besteht die Notwendigkeit, Anbauteile ohne primär tragende Funktion an schwingend beanspruchte Konstruktionen anzuschweißen, was zu geometrischen und metallurgischen Kerben führt und Einfluss auf die Lebensdauer sowie Bemessung in Hinblick auf Materialstärke und den Einsatz hochfester Stähle hat. In dem Projekt wurde untersucht, ob das aus der Feinblechverarbeitung bekannte Lichtbogenlöten mit Kupferbasisloten zur Substitution von Schweißprozessen im Stahlbau geeignet ist unter besonderer Berücksichtigung der Schwingfestigkeit und statischen Beanspruchbarkeit. Die umfangreichen experimentellen und numerischen Untersuchungen zeigen, dass durch den Einsatz des Lichtbogenlötens zum Fügen von Anbauteilen die Lebensdauer der Gesamtkonstruktion um bis zu 500 % ohne Schweißnahtnachbehandlungsaufwand verlängert werden kann. Dadurch können am Beispiel eines Stahlrohrturmes für Windenergieanlagen bis zu 50t Gewicht eingespart werden ohne die statische Tragfähigkeit der Anbauteile zu reduzieren.

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