Daniel Weber

• Der eigenspannungsbedingte Bauteilverzug ist ein Problem bei der Herstellung dünnwandiger Aluminium-Strukturbauteile. Im Rahmen dieser Arbeit wurde er mithilfe eines linear elastischen Simulationsmodells, basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM), für verschiedene Geometrien, Bearbeitungsstrategien sowie initiale (I-) und prozessinduzierte Eigenspannungen (P-ES) vorhergesagt. Als Simulationseingabe dienten die gemessenen ES. Anhand abgeleiteter Kennzahlen konnte sowohl die Form bzw. das Profil des Verzugs als auch die maximale Verformung quantifiziert werden. Dabei wurde die Form mit einer höheren Genauigkeit im Vergleich zur maximalen Verformung bestimmt. Es wurde festgestellt, dass die P-ES und der Bauteilverzug nach dem Fräsen prinzipiell wiederholbar sind. Dabei trat eine geringe Streuung der P-ES unter gleichen Herstellbedingungen auf, die geringfügige, aber messbare Abweichungen der maximalen Verformung zur Folge hatte. Der Vergleich unterschiedlicher Materialchargen von Aluminium 7050-T7451 zeigte zudem, dass bereits geringe Unterschiede des Betrags der I-ES und des ES-Verlaufs signifikante Unterschiede der maximalen Verformung bewirken. Die Verzugsform ist dagegen nicht betroffen. Mithilfe des validierten FEM-Verzug-Modells konnten verzugbestimmende Faktoren identifiziert werden. Es wurde gezeigt, dass eine allgemeingültige Aussage darüber nicht sinnvoll ist, welcher ES-Typ bei einer bestimmten Wandstärke den Bauteilverzug dominiert. Dies muss für jeden Fall individuell betrachtet werden, da der Verzug nicht ausschließlich von der Bauteilgeometrie und den ES selbst abhängt, sondern ebenso von der gewählten Bearbeitungsstrategie, wie z. B. dem Bearbeitungsweg oder der Positionierung des Bauteils im Halbzeug. So wurde festgestellt, dass die Bauteiltopologie und die Fräswegstrategie einen wechselseitigen Einfluss auf den Verzug haben. Die induzierten Schubspannungen spielen dabei eine entscheidende Rolle. Darauf basierend wurden Kompensationstechniken zur Minimierung des Bauteilverzugs abgeleitet, die sich durch die Optimierung der Prozessparameter, der Bauteiltopologie oder der Prozessstrategie auszeichnen.
• Residual stress induced part distortion is a problem during the production of thin-walled aluminum structural components. Within this work, the part distortion was predicted by using a linear elastic finite element (FE) model for different geometries, machining strategies and both initial bulk (IB) and machining induced residual stresses (MIRS). Derived key figures were used to quantify both the distortion shape and the maximum deformation. The distortion shape was determined with a higher accuracy compared to the max. deformation. In principle, the MIRS and the part distortion are repeatable. A slight dispersion of the MIRS under the same manufacturing conditions is also accompanied by small deviations in the max. distortion. The comparison of different material batches of AA7050-T7451 showed that even small changes in the magnitude and the profile of the IBRS led to significant differences in distortion magnitude. However, the shape was not affected. By employing the validated FE distortion model factors driving the distortion could be identified. It was demonstrated that it is not feasible to make a general statement on which type of RS has dominance over distortion. This must be considered individually for each case, since the distortion depends not only on the geometry and the RS themselves, but on the process strategy. For example, the topology and the milling path strategy have a reciprocal influence on the distortion. Hereby, the induced shear RS play a decisive role. Compensation techniques for minimizing the distortion were derived, which are characterized by the optimization of the process parameter, the part topology or the process strategy.