Die Entwicklung von leichteren Konstruktionen ist ein zentrales Anliegen des Fahrzeugbaus. Hierbei spielen dünnere Bleche mit speziellen steifigkeitserhöhenden Strukturen eine entscheidende Rolle. Durch die Verwendung von Höckern mit einer 6-Eck-förmigen bienenwabenähnlichen Grundfläche kann das Gewicht reduziert und gleichzeitig die Steifigkeit erhöht werden. Um diese Bauteile effizient zu verarbeiten, setzt man auf das Rollennahtschweißen. Dabei werden hohe Prozessgeschwindigkeiten genutzt und es ist kein zusätzlicher Schweißzusatzstoff erforderlich. Um die Versteifungswirkung dieser strukturierten Bleche beim Schweißen beizubehalten, wurden spezielle Elektroden entwickelt und erfolgreich getestet.
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Leichtbau im Fokus: Vorteile und Potenzial strukturierter Wabenbleche
Strukturierte Wabenbleche bieten im Vergleich zu ebenen Blechen eine deutlich höhere Steifigkeit. Dies ermöglicht es, die Blechdicke zu reduzieren und somit das Gewicht erheblich 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 zwischen den Blechen, was zusätzlich zu einer Gewichtsreduktion führt.
Durch den Einsatz von strukturierten Wabenblechen kann eine deutliche Gewichtsersparnis von über 50% erzielt werden, da diese Bauteile eine 12-fache Steifigkeit im Vergleich zu ebenen Blechen aufweisen. Ein Beispiel dafür ist die Möglichkeit, 3 mm dicke Aluminiumbleche durch 2 x 0,5 mm Wabenbleche aus Stahl zu ersetzen. Diese Konstruktion ist nicht nur kostengünstiger, sondern auch umweltschonender. Zudem ergeben sich weitere Anwendungsmöglichkeiten im Wärmetauscher- und Behälterbau, wo die Wabenbleche von Flüssigkeiten durchströmt werden und so zur Temperierung des Behälterinhalts beitragen können.
Herausforderungen beim Rollennahtschweißen von strukturierten Blechen
Beim Rollennahtschweißen von strukturierten Blechen besteht das Problem, dass herkömmliche Rollennaht-Elektroden die Wabenstrukturen einebnen, wodurch die versteifende Wirkung reduziert oder aufgehoben wird. Um dieses Problem zu lösen, wurde untersucht, wie dünnen Wabenbleche optimal gefügt werden können. Es wurden spezielle Elektroden entwickelt, die auf die Topologie der strukturierten Bleche abgestimmt sind und eine optimale Verbindung ermöglichen. Diese Elektroden ermöglichen das Fügen der dünnen Wabenbleche beim Rollennahtschweißen, ohne die versteifende Wirkung der Strukturen zu beeinträchtigen.
Spezielle Elektroden ermöglichen optimales Fügen von Wabenblechen beim Rollennahtschweißen
Das Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME) hat in Zusammenarbeit mit der BTU Cottbus ein DVS-Forschungsprojekt durchgeführt, um das Rollennahtschweißen von Wabenblechen zu optimieren. Die Experten von BTU Cottbus und TIME haben sich intensiv mit der Schweißtechnologie beschäftigt und spezielle Elektroden entwickelt, um die versteifende Wirkung der Wabenstrukturen beim Schweißen zu erhalten. Diese Forschungsarbeit trägt zur Weiterentwicklung der Schweißtechnologie bei und eröffnet neue Möglichkeiten im Fahrzeugbau und anderen Bereichen des Leichtbaus.
Im Rahmen des Projekts wurden zwei innovative Rollennaht-Elektroden für unterbrochene und lineare Schweißnähte entwickelt und gebaut. Diese Elektroden wurden erfolgreich in Experimenten am TIME und im Praxisbetrieb getestet und sind nun zum Patent angemeldet. Sie ermöglichen ein optimales Fügen von dünnen Wabenblechen beim Rollennahtschweißen, ohne die versteifende Wirkung der Strukturen zu beeinträchtigen.
Spezielle Elektroden verhindern das Abflachen von strukturierten Wabenblechen
Die speziell auf die Topologie der strukturierten Bleche abgestimmten Elektroden verhindern eine Einebnung der Waben. Eine der Elektroden weist eine periodisch unterbrochene Profilierung auf, um unterbrochene Schweißnahtlinien zu erzeugen. Durch laterale Unterbrechungen in der zylindrischen Kontaktfläche können die Versteifungselemente beim Abfahren der Struktur ohne Verformung übersprungen werden. Dabei werden die Versteifungselemente vertikal übersprungen.
Die zweite Elektrode weist ein zickzackartiges Profil auf, das speziell für konturerhaltende Dichtnahtschweißungen entwickelt wurde. Durch die Verwendung dieser Elektrode ist es möglich, eine präzise und dichte Schweißnaht entlang der Kontur zu erzeugen. Darüber hinaus können beide Elektroden je nach Bedarf in verschiedenen Kombinationen eingesetzt werden, einschließlich der Verwendung mit konventionellen Rollengeometrien.
Optimierung der Schweißnahtqualität führt zu herausragenden Ergebnissen
Die Verbindungseigenschaften der strukturierten Bleche wurden umfangreich getestet und durch verschiedene Untersuchungen bei BTU Cottbus-Senftenberg validiert. Dabei wurden Schweißbereichsdiagramme und Prozessfenster erstellt. Die Ergebnisse zeigten, dass es Unterschiede bei den Prozessparametern und der Verbindungsausprägung gibt, abhängig von der geschweißten Struktur, dem Schweißpfad und dem Werkstoff. Durch die Optimierung der Schweißnahtqualität konnten jedoch sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Strukturierte Bleche bieten vielseitige Anwendungsmöglichkeiten im Leichtbau, insbesondere als durchströmte Wände für Wärmetauscher. Durch die Variation der Ausrichtung der Strukturen können verschiedene hohlraumbildende Paarungen und Schweißnahtlinien realisiert werden. Die Verbindungseigenschaften der verschweißten Wabenbleche wurden umfassend getestet und erfüllen die Anforderungen der DIN EN ISO 17654. Diese mehrschaligen Bauelemente eignen sich ideal für den Einsatz in Heizkörpern, temperierbaren Behältern und Wärmetauschern.
Gewichtsreduktion und erhöhte Steifigkeit durch strukturierte Wabenbleche und Elektroden
Die Forschung von TIME und BTU Cottbus hat gezeigt, dass der Einsatz von strukturierten Wabenblechen zu einer erheblichen Gewichtsreduktion und einer erhöhten Steifigkeit führen kann. Die speziell entwickelten Elektroden ermöglichen ein effektives Fügen der dünnen Wabenbleche beim Rollennahtschweißen, ohne die versteifende Wirkung der Strukturen zu beeinträchtigen. Dadurch eröffnen sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen des Leichtbaus, insbesondere im Fahrzeugbau, im Wärmetauscher- und Behälterbau. Diese vielversprechenden Ergebnisse tragen zu einer nachhaltigen und effizienten Konstruktion bei.
