SB_20355BGLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Entwicklung geschweißter
Konstruktionen aus
Aluminiumschaumsandwich

Entwicklung geschweißter
Konstruktionen aus
Aluminiumschaumsandwich
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.355 BG
DVS-Nr.: 09.3049
Brandenburgische Technische Universität
Cottbus
Institut für Werkstoffe und
Produktionsforschung
Lehrstuhl Füge und
Schweißtechnik
GSI-Gesellschaft für Schweißtechnik
International mbH
Niederlassung SLV Berlin-Brandenburg
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.355 BG / DVS-Nr.: 09.3049 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 559
Bestell-Nr.: 170669
ISBN: 978-3-96870-559-0
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Inhaltsverzeichnis
iv
Inhaltsverzeichnis
THEMA ..................................................................................................................... I
BERICHTSZEITRAUM ............................................................................................. I
FORSCHUNGSVEREINIGUNG ............................................................................... I
FORSCHUNGSEINRICHTUNG(EN) ........................................................................ I
KURZFASSUNG .................................................................................................... III
ABBILDUNGSVERZEICHNIS ............................................................................... VI
TABELLENVERZEICHNIS .................................................................................. VIII
DIAGRAMMVERZEICHNIS ................................................................................. VIII
FORMELZEICHEN ................................................................................................ IX
ABKÜRZUNGEN ................................................................................................... XI
1 EINLEITUNG .................................................................................................. 1
2 STAND DER TECHNIK .................................................................................. 4
3 AUSWAHL DER FÜGEKNOTEN .................................................................... 6
4 FÜGEN VON AFS ........................................................................................... 8
4.1 FÜGEN MITTELS LICHTBOGENSCHWEIßEN ........................................................ 8
4.1.1 I-STOß AFS-AFS ..................................................................................... 8
4.1.2 ÜBERLAPPVERBINDUNG AFS-PROFIL VARIANTE 1 ....................................... 9
4.1.3 T-STOß AFS- PROFIL VARIANTE 2 ........................................................... 10
4.2 FÜGEN MITTELS RÜHRREIBSCHWEIßEN ......................................................... 11
4.2.1 I-STOß AFS-AFS ................................................................................... 12
4.2.2 I-STOß AFS-AFS ONE-SHOT .................................................................. 15
4.2.3 ÜBERLAPPVERBINDUNG AFS-PROFIL VARIANTE 1 FSW ............................ 17
4.3 FÜGEN MITTELS FSW UND LICHTBOGENSCHWEIßEN, T-STOß AFS-AFS ......... 19
5 UNTERSUCHUNGEN ZUR INNEREN SCHÄDIGUNG ................................ 23
6 PRÜFUNG DER EINZELKOMPONENTEN UND FÜGEKNOTEN UNTER
EINMALIGER BEANSPRUCHUNG ...................................................................... 27

Inhaltsverzeichnis
v
6.1 EINZELKOMPONENTEN ................................................................................. 27
6.2 FÜGEKNOTEN ............................................................................................. 29
7 NACHWEIS DER SCHWINGFESTIGKEIT ................................................... 33
7.1 EINZELKOMPONENTEN ................................................................................. 35
7.2 AFS-PLATTEN ............................................................................................ 38
7.3 FÜGEKNOTEN ............................................................................................. 39
8 FE-ANALYSE ................................................................................................ 46
8.1 SIMULATION DES SANDWICH-VERBUNDES ..................................................... 46
8.2 BEWERTUNG DER FÜGEKNOTEN ................................................................... 48
9 DEMONSTRATOR ....................................................................................... 53
10 GESTALTUNGSKATALOG .......................................................................... 58
11 ZUSAMMENFASSUNG ................................................................................ 61
12 GEGENÜBERSTELLUNG DER ZIELE UND ERGEBNISSE ........................ 62
13 DARSTELLUNG DES WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHEN UND
WIRTSCHAFTLICHEN NUTZENS DER ERZIELTEN ERGEBNISSE
INSBESONDERE FÜR KMU SOWIE IHRES INNOVATIVEN BEITRAGS UND
IHRER INDUSTRIELLEN ANWENDUNGSMÖGLICHKEITEN ............................. 65
14 ERGEBNISTRANSFER IN DIE INDUSTRIE ................................................ 66
15 QUELLENVERZEICHNIS ............................................................................. 68

1 Einleitung 1
1 Einleitung
Die Forschung und Entwicklung von immer neuen Werkstoffen für verbesserte
Leichtbaukonstruktionen ist ein entscheidender Vorteil in Zeiten zunehmender Konkurrenz
auf den nationalen sowie internationalen Märkten. Ökonomisch, aber auch ökologisch
spielt der Leichtbau eine immer entscheidendere Rolle. Die Gewichtsreduktion trägt direkt
zur Leistungssteigerung bei, da sich z. B. die Nutzlast von technischen Systemen erhöhen
und die, gerade in Zeiten von knappen Energien, Betriebskosten verringern lassen.
Höchstes Leichtbaupotenzial besitzen in diesem Zusammenhang Sandwichbauweisen in
den verschiedensten Ausführungen. Anwendung dafür finden sich insbesondere bei der
Umsetzung von großflächigen Leichtbauteilen im Kraftfahrzeugbau, in der Luft‐ und
Raumfahrttechnik, im Schiffbau sowie Schienenfahrzeugbau. Vor diesem Hintergrund
sind Kernverbünde oder auch Sandwiche aus Kunststoffen oder Leichtmetallen wie z. B.
Aluminium ein moderner Lösungsansatz [1]. Erst in jüngerer Zeit werden als Alternative
zu z. B. teuren Wabenkernen, ultraleichte Aluminiumschäume als Kernwerkstoff
verwendet [2]. Die Verwendung von Aluminium bietet noch die wichtige Möglichkeit der
Herstellung eines werkstoffgleichen Verbundes von zweikonventionellen Blechen und
einer Schaumkernlage ohne Einsatz von Klebstoffen. Dieser Verbund wird als
Aluminiumschaumsandwich (engl.: Aluminium Foam Sandwich AFS) bezeichnet. Bei der
Entwicklung dieses Werkstoffes war die Natur (Bimsstein) Vorbild, denn letztlich basiert
hier die Idee des metallischen Leichtbaus auf Schaum, genauer gesagt, aus Aluminium
wird Aluminiumschaum hergestellt und damit aus einem leichten Werkstoff durch den
Einschluss von Gasen noch ein leichterer gemacht. Der daraus entstehende
AFS‐Verbund mit seiner zellularen Struktur stellt ein hochbelastbares, medien‐ und
hoch‐temperaturbeständiges Halbzeug dar. Er ist universell einsetzbar und durch den
werkstoffgleichen Verbundaufbau leicht recycelbar. Aluminium ist zudem leicht verfügbar
und der Anteil von Sekundäraluminium im Werkstoffkreislauf sehr hoch. AFS zeichnet
sich durch eine hohe Steifigkeit, speziell der Biegesteifigkeit, mit deutlicher
Gewichtseinsparung gegenüber einem einfachen Blech aus [2]. Die Bauteile werden
belastbarer oder können aufgrund der verbesserten Eigenschaften leichter gebaut
werden. AFS besitzt zudem aufgrund der inneren Reibung hohe schwingungs- und
vibrationsdämpfende Eigenschaften und eine hohe Energieabsorption im Crashfall [2, 3].
AFS‐Verbunde sind bis ca. 540° C temperaturbeständig und erfüllen die Brandschutznorm
nach DIN 4102 [3, 4]. Die Kombination dieser Eigenschaften macht aus AFS ein
hervorragendes Halbzeug für große Bauteile und Konstruktionen im Leichtbau. Es
ermöglicht neben den herkömmlichen Fügeverfahren wie Kleben oder Schrauben im
Besonderen die schweißtechnische Verarbeitung der Sandwichelemente.
Die Grundlage für den Einsatz von Sandwichverbunden bilden eine belastbare Auslegung
und Bewertung des Verbundes sowie eine füge‐ und kraftflussgerechte Gestaltung der
Verbindungsknoten. Genau diese Anforderungen standen den Unternehmen bisher nicht
für eine gesicherte Anwendung von AFS zur Verfügung. Die allgemeine Schweißbarkeit
wurde zwar für Laser‐ und MSG‐Verfahren bereits untersucht, allerdings sind für die
Verfahren weder unterschiedliche Stoßarten oder Verbindungsgestaltungen betrachtet
noch Verfahrensparameter allgemein zugänglich gemacht worden [5, 6]. Im
Vorgängerprojekt „Gestaltungshinweise für Schweißkonstruktionen aus
Aluminiumschaumsandwichen“ (IGF-Nummer 17.620BG [7]) wurde die grundlegende
Verarbeitung von AFS erstmals tiefer betrachtet. Es konnten hier bereits einige

1 Einleitung 2
quantitative Gestaltung‐, Berechnung‐ und Auslegungshinweise für Konstrukteure und
Anwender abgeleitet werden. Die unterschiedlich hergestellten I‐Stoßverbindungen
zeigten bei der Schwingprüfung gute bis sehr gute Ergebnisse. Bei den T‐Stößen
versagten die Verbindungen unter zyklischer Belastung im Schaumkern und erreichten
nur geringe Schwingfestigkeiten. Das war auf die zwar effiziente aber einfach gestaltete
Anbindung des Stegs an nur einer Decklage zurückzuführen. Beim Rührreibschweißen
zeigte sich, dass ohne spezielle Nahtvorbereitung, bestehend aus dem Ausfräsen des
Schaumkerns und dem zusätzlichen Einsatz eines Inlays, keine Verbindung des AFS im
aufgeschäumten Zustand mit konventionellen Werkzeugen möglich ist. Für diese
Verbindungssituation besteht die Notwendigkeit die Knoten belastungs‐ und
fügegerechter zu gestalten. Eine weitere methodische Ausarbeitung zur Verbesserung der
Verbindungsknoten in Hinblick auf Gestaltung, Anbindung und Berechnung war im
Rahmen des vorangegangenen Projektes nicht möglich. Ein wesentlicher Punkt, der
immer wieder von den KMU angefragt wurde, war die Verbindung von AFS mit
standardisierten Strangpressprofilen als Form der Mischbauweise [8,9]. Hauptsächlich
hier war die Motivation und Ansatz sich dem Thema nochmals genauer anzunehmen.
Dazu sollten jetzt unterschiedliche Knotenformen gestaltet sowie deren statische
Festigkeit und Schwingfestigkeit ermittelt werden. Ziel war es neue zuverlässige
Anschlussmöglichkeiten zu schaffen, mit denen AFS’s zum Beispiel auch als
Modulbausteine verwendet werden können. Neben diesen neuen konstruktiven Aspekten
war eine ausführlichere Betrachtung der Schwingfestigkeit der geschweißten Knoten und
deren Nachweisbarkeit notwendig. Durch den Einsatz von FE‐Analysen konnte die
Ermüdungsfestigkeit von ungeschweißten AFS und geschweißten I‐Stoßverbindungen gut
abgebildet, das Versagen erfolgte immer in den Decklagen, und die Ergebnisse für die
Nachweisführung nach FKM‐Richtlinie [10] bzw. Eurocode9 [11] genutzt werden. Für eine
Bewertung darüberhinausgehender Versagens‐ und Nachweispunkte mussten die
Modelle weiterentwickelt werden. Die Überprüfung der Schwingfestigkeit wurde bisher auf
den Auslegungspunkt von N = 10 5 Lastspielzahlen begrenzt. Am Beispiel dieses
Auslegungspunktes wurde die Möglichkeit zur Klassifizierung der Fügeknoten nach
FKM‐Richtlinie bzw. Eurocode9 nachgewiesen. Dies ist aber nur für diesen geprüften
Nachweispunkt gültig. Ein Nachweis der Einordnung für die gesamte Wöhlerlinie, d.h. die
Gültigkeit der Steigung, war nicht Bestandteil des Versuchsumfangs und stand deshalb
noch aus. Aus diesem Grund sollten in diesem Projekt die Fügeknoten in abgestuften
Lastbereichen mit Lastspielen von bis zu 107 untersucht werden. Die Einordnung in
bestehende FAT‐ bzw. Bauteilklassen (FKM‐Richtlinie/Eurocode9) konnte schon
erfolgreich für die I‐Stoßverbindungen vorgenommen werden, da hier der Anriss in der
Decklage, ähnlich denen in den Richtlinien zu Grunde liegenden konventionellen
Vollblechverbindungen, erfolgte. Für Verbindungen z.B. mit Kernversagen war dies nicht
möglich, da eine Bewertung dieser Versagensart in den Richtlinien und Normen nicht
berücksichtigt ist und zulässige Schwingfestigkeitskennwerte nicht enthalten sind. Dies
stellte noch ein wesentliches Hindernis in der Anwendung von Festigkeitskonzepten dar
und sollte im jetzigen Projekt behoben werden.
Die offenen Fragestellungen führten zu intensiven Anfragen, insbesondere aus der
Industrie, nach Lösungen für diese Probleme zu suchen. Deshalb wurden die
Weiterentwicklungen der Knotenformen, die Untersuchungen zur inneren Schädigung des
Schaumkerns und die Verbesserungen der FE‐Analysemethoden als wichtige Kernpunkte
in diesem Projekt mit aufgenommen. Wirtschaftliche Vorteile ergeben sich u.a. aus den
aufgeführten technischen Vorteilen. So bietet das AFS als Sandwichmaterial die

1 Einleitung 3
Möglichkeit der Substitution von komplexen Baugruppen aus einfachen Deckblechen und
steifen Unterkonstruktionen. Zudem besteht die Möglichkeit einer schweißtechnischen
Verarbeitung, was ein entscheidender wirtschaftlicher Vorteil im Vergleich zu geklebten
Konstruktionen darstellt. Die meisten metallverarbeitenden KMU’s könnten dann ohne
Einschränkungen daran partizipieren. Bisher werden Sandwichbauteile im Allgemeinen
verklebt. Für diese Anwendungen müssen qualifizierte Klebfachkräfte ausgebildet und
zusätzlich speziell ausgerüstete Arbeitsplätze bereitgestellt werden. Weiterhin sind
zusätzliche kosten‐ und gewichterhöhende Fügeelemente sowie aufwendige
Arbeitsschritte für Klebkonstruktionen nötig. Durch den Einsatz eines Schweißprozesses
könnten diese eingespart werden. Zudem sollte eine Weiterentwicklung des
Rührreibschweißens zu einem „One‐Shot“ Verfahren und mit der entsprechenden
Neugestaltung der Knoten die Wirtschaftlichkeit signifikant verbessern. Das hierzu neu zu
entwickelnde Werkzeug sollte das Rührreibschweißen von AFS ohne die beschriebene
aufwändige Vorbereitung und Inlay ermöglichen. Der potenzielle Anwender hätte dadurch
den Vorteil große Bauteile herzustellen, ohne zusätzliche Arbeitsschritte wie das Wenden
der Platten und das Schweißen der Gegenseite.
Der erweiterte Gestattungskatalog als Ergebnis der angestrebten Forschungsarbeiten soll
jetzt den KMU helfen die Entwicklungszeit für neue Produkte zu reduzieren, da nun nicht
jedes interessierte Unternehmen sich das Wissen neu erarbeiten muss. Ebenso könnte
dadurch der Anwenderkreis um weitere kleine mittlere Unternehmen erweitern, die keine
die Möglichkeiten und Ressourcen besitzen Forschungsarbeiten dieser Art zu leisten, um
daraus für sich neue Innovationen zu abzuleiten. Somit wird der volkswirtschaftliche
Gesamtnutzen durch die Bereitstellung der Ergebnisse des Projektes z.B. im
Gestaltungskatalog oder auch weiterführenden Veröffentlichungen bzw. Fachvorträgen
gesteigert.