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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde
www.kit.edu
Fertigungsbedingte Eigenspannungen und deren Auswirkungen Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze
2 Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
3 Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
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Abteilung Fertigung und BauteilverhaltenWechselwirkung zwischenFertigungsprozessen, Bauteilzustand undBauteilverhaltenbei mechanischen BeanspruchungenSimulation von FertigungsprozessenFertigungsverfahren
WärmebehandlungMech. Oberflächenbehandlung
Abteilungsleiter:Dr.-Ing. S. Dietrich
Verzug
Gefüge
Topographie
Eigenspannungen
Verfestigung
Fertigungsprozesse
Bauteilverhalten
Prozessverständnis
Charakteristischer Bauteilzustand
Charakterisierung deslokalen Bauteilzustands
IAM-Werkstoffkunde Forschungsfelder
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
5
Surface Engineering
1 µm
FertigungsprozesseZerspanungFokus: Räumen, Wälzschälen, WirbelnMikrobearbeitungGenerative FertigungWärme- und OberflächenbehandlungHybride ProzesseProzessketten
Prozessplanung/-überwachung Simulation von ProzessenProzess-Maschine-InteraktionIn-Prozess-Kontrolle
BauteilrandzonenTopographieGefügeEigenspannungenVerfestigungSimulation der Bauteilzustände
BauteilverhaltenSchwingende BeanspruchungTribologische BeanspruchungAkustisches Verhalten (NVH)Simulation des Bauteilverhaltens
Prozesse
Fertigungs- und Werkstofftechnik FWT
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Gliederung
I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation
II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen
III. Surface Engineering
IV. Zusammenfassung
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
7
Quelle: Volkswagen AG
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
8
NockenwelleHärte: 55 HRC
© www.todaracing.com
Ergebnis :• Reibleistung um 20% verringert• Härte um 6% gesteigert
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9
Wechselwirkungen aufeinanderfolgender Prozesse
Gießen
Umformen
Weich‐bearbeitung
Wärme‐behandlung
Hart‐bearbeitung
Oberflächen‐behandlung
Geometrie
Eigen-spannungen Mikro-
struktur
Textur
Eine optimale Prozessführung (ökonomisch, verzugsarm, …) kann nur entwickelt werden, wenn die Vererbung der Bauteileigenschaften zwischen den Prozessschritten berücksichtigt wird.
Distortion Engineering:Auslegung der Prozesskette, so dass sich der Verzug der einzelnen Prozessschritte eliminiert oder in einem späteren Schritt auflöst.
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
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Charakterisierung von Bauteilzuständen
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
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Gliederung
I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation
II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen
III. Surface Engineering
IV. Zusammenfassung
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
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Eigenspannungen – Definition
Definition:Eigenspannungen sind mechanische Spannungen, die in einem Bauteil frei von Temperaturgradienten und ohne die Wirkung von äußeren Kräften und Momenten auftreten.
Klassifizierung für einphasige Werkstoffe:Eigenspannungen I. Art
1
Eigenspannungen II. Art1
Eigenspannungen III. Art
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
Für mehrphasige Werkstoffe gilt:(z.B. Martensit + Restaustenit) ∙
Wolfstieg, U., and E. Macherauch. "Ursachen und Bewertung von Eigenspannungen." Chemie Ingenieur Technik 45.11 (1973): 760-770.
13
Eigenspannungen – Einfluss auf die Bauteileigenschaften
Dem Zustand der Bauteilrandschicht kommt eine besondere Bedeutung zu: Randschicht-Druckeigenspannungen:
Verbesserung der SchwingfestigkeitErhöhung des Widerstands gegen SpannungsrisskorrosionVerbesserung der Verschleißeigenschaften
Wie hängen Eigenspannungen und Fertigung zusammen?Wie wirken sich Randzonen auf die Bauteileigenschaften aus?
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Olaf Kessler, Kombinationsverfahren zur Randschichtbehandlung von Stählen: Stoffeigenschaftändernde und Beschichtungsverfahren
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Eigenspannungen nach verschiedenen Fertigungsprozessen
Eigenspannungen nach dem Kugelstrahlen, Festwalzen, Piezo-Peening, Laser-Peening, induktivem Randschichthärten und Plasmanitrieren für 42CrMo4 weisen deutlich unterschiedliche Tiefenwirkung auf
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Bsp. Eigenspannungen durch Schweißen: Ursachen
Schrumpfungsbehinderung: längs der Naht durch kalt gebliebene Werkstückbereiche quer zur Naht durch Behinderung der Querkontraktion Thermisch-mechanische Eigenspannungs-entstehung
Phasenumwandlung:Austenitisierung und Rückumwandlungdes Austenits beim AbkühlenMetallurgische Eigenspannungs-entstehung
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Wohlfahrt, H., and Macherauch, E., "Die Ursachen des Schweißeigenspannungszustandes." Materialprüfung 19.8 (1977).Wohlfahrt, H. (1986), „Die Bedeutung der Austenitumwandlung für die Eigenspannungsentstehung beim Schweißen“, Härterei-Techn. Mitt., 41(1986), No.5, pp. 248-257.
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Eigenspannungen – Systematik der Ursachen
Eigenspannungen entstehen durch lokale Deformationsinkompatibilitäten infolge
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
mechanischelastische Verformungplastische Verformungunterschiedliche und/oder anisotrope Werkstoffeigenschaften ( , …)
thermischTemperaturgradientenunterschiedliche und/oder anisotrope thermo-physikalische Werkstoffeigenschaften ( …)
metallurgischUmwandlungsdehnungen
chemischVeränderung der Zusammensetzung
bedingter Effekte im Bauteil
Nahezu alle Fertigungsprozesse beeinflussen den Eigenspannungszustand!Oft sind die Ursachen in komplexer Weise gekoppelt, wie z.B. beim Schweißen oder bei der Wärmebehandlung
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Gliederung
I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation
II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen
Chemisch-thermisch bedingt: NitrierenMetallurgisch-thermisch bedingt: Induktives RandschichthärtenThermophysikalisch bedingt: Gefriergießen von MMCsThermisch-mechanisch bedingt: SchleifenMechanisch bedingt: Autofrettage und Oberflächenhämmern
III. Surface Engineering
IV. Zusammenfassung
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Chemisch – thermisch bedingte Eigenspannungsentstehung beim Nitrieren
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[Mittemeijer84] Mittemeijer E. J., Die Beziehung zwischen Makro- und Mikroeigenspannungen und die Eigenschaften randschichtgehärteter Stähle, 1984, HTM
Eigenspannungen in der Verbindungsschicht [Somers92]:
Eigenspannungen in der Diffusionsschicht [Mittemeijer84]:
Einfluss von Legierung und Nitrierdauer/-temperatur [Spies13]:
[Somers92] Somers M. A. J., Mittemeijer E. J., Eigenspannungen in der Verbindungsschicht nitrierter Eisenwerkstoffe, 1992, HTM
[Spies13] Spies H.-J., Nitrieren und Nitrocarburieren, 2013, HTM
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Metallurgisch – thermisch hervorgerufene Eigenspannungen durch induktives Randschichthärten
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Vergleich von Eigenspannungen Härtelinse für Härtung mit Zweifrequenz und Mittelfrequenz
Versuchsaufbau
[SCHWENK12]
20
Vergleich von Experiment und Simulation: Martensitverteilung und Härtetiefenverläufe
Berechnete Martensitverteilung und die entsprechenden Härtetiefenverläufe korrelieren mit den experimentellen Daten
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Berechnete Eigenspannungstiefenverläufe für die induktive Randschichthärtung außenverzahnter Zahnräder
09.10.2015
Eigenspannungen in Z-Richtung
12
3
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen
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Thermisch-physikalisch bedingte Eigenspannungen an gefriergegossenen MMCs
Entstehung von Eigenspannungen in Folge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten:
Eigenspannungen entstehen während des Abkühlens nach dem HerstellungsprozessEigenspannungen als Folge einer Plastifizierung nach einer Abkühlung bzw. Erwärmung
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äü
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Eigenspannungen in gefriergegossenen MMCs:Herstellungsprozess
Einfrieren der Suspension aus Wasser, 0 -Pulver, Dispergier- und Bindemittel48h bei -30 °C Gefriertrocknenkolummnares WachstumSublimierenSintern (1550°C, 1h)Infiltrieren mit Al-12SiWarmauslagern (450°C, 2h)
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
einfrieren
sublimieren sintern
0 -Preform
Infiltrieren und Warmauslagern
Roy, S., Metal/ceramic composites from freeze-cast preforms: domain structure and mechanical properties, 2009
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Eigenspannungen in gefriergegossenen MMCs:Messung mittels Synchrotron-Strahlung
Eigenspannungen in einem MMC ( , 12 ) auf Grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten:
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Ände
rung
des
Gitt
ereb
enen
-ab
stan
des
d 10
Ände
rung
des
Gitt
ereb
enen
-ab
stan
des
d 10
,{214}−Ebene ,{214}−Ebene
[MPa] 87 -167Roy, S., Metal/ceramic composites from freeze-cast preforms: domain structure and mechanical properties, 2009
25
Thermisch – mechanisch bedingte Eigenspannungen durch Schleifen
Eigenspannungsentstehung bei Zerspanungsvorgängen:
Mechanische Kräfte bewirken Druckeigenspannungen normal und tangential zur Oberfläche(Lokale plastische Deformation)Wärmeeintrag verschiebt Eigenspannungszustand in Richtung Zugeigenspannungen(Absenkung der Streckgrenze)
Beispiel: SchleifenSchleifmittel: Korund und kubisches Bornitrid (CBN) Gleiche SchleifparameterHöhere Wärmeleitfähigkeit von CBN bewirkt Druck-Eigenspannungen
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
Ramanath, S. and Shaw, M.C., AES Mag. 7 (1987)
0 20 40 60 80
-200
-100
0
100
200
Eige
nspa
nnun
gen
[MPa
]
Eindringtiefe [µm]
Korund CBN
Schnittgeschwindigkeit: 32 m/sZustellung: 12 µm
26
Mechanisch eingebrachte Eigenspannungen mittels Autofrettage
Prinzip der Autofrettage:Verfahren zur Druckeigenspannungseinbringung; für Rohre, Einspritzsysteme etc. mit pulsierendem Innendruck während des BetriebesEinmalige mechanische Überlast vor Betrieb
Prinzip: Hervorrufen der Eigenspannungen durch plastische Streckung oberflächennaher Bereiche
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
Venter, A. M., R. R. de Swardt, and S. Kyriacou. "Comparative measurements on autofrettaged cylinders with large Bauschinger reverse yielding zones." The Journal ofStrain Analysis for Engineering Design 35.6 (2000): 459-469.
27
Mechanisch eingebrachte Eigenspannungen durch Piezo-Peening: Verfahren
Maschinelles OberflächenhämmernFrequenz: ca. 500 ~ 5000 HzElastisch-plastische Verformung derRandschicht
Streckung der Randschicht führtbei Entlastung zu Druckeigen-spannungen
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Lienert, KIT
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Piezo-Peening: Eigenspannungen
Lokale plastische Streckung oberflächennaher BereicheDruckeigenspannungen nach EntlastungZusätzlich Glättung der Oberfläche
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
Geschliffener Ausgangszustand
Lienert, F; Hoffmeister, J and Schulze, V. Mater Sci Forum, Vol 769-769, pp. 526-533,2014
0 50 100 150 200 250 300 350-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
f = 500 Hz, a = 18 µmd = 5 mm, T = 0,5
v = 1 mm/s, lp = 400 µm v = 1 mm/s, lp = 600 µm v = 1 mm/s, lp = 800 µm v = 50 mm/s, lp = 400 µm v = 50 mm/s, lp = 600 µm v = 50 mm/s, lp = 800 µm
ES quer
[MPa
]
Tiefe [µm]
42CrMo4 V450
Zustand nach Piezo-Peening
29
Fazit zur Systematik der Entstehung von Eigenspannungen
Nahezu jeder Fertigungsprozess ruft Änderungen im Eigenspannungszustand hervor
Systematische Einteilung der Ursachen ist möglichAbsichtliche Einbringung der Eigenspannungen
Ausschlaggebend: Eigenschaften der oberflächennahen Bereiche
Wie lassen sich Eigenspannungen, Rauheit, etc. einstellen, um ein optimales Lebensdauerverhalten zu erlangen?
„Surface Engineering“
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
B. Scholtes,E. Macherauch;
Zeitschr. f. Metallk. 77 (1986) pp. 322 - 337
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Gliederung
I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation
II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus verschiedenen Fertigungshauptgruppen
III. Surface EngineeringVerfahren und KonzepteSimulative Ansätze
IV. Zusammenfassung
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Bewertung von Randschichtzuständen
RW
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32
)z(R)z(1)z(R)z(n)z(R
m
ESoWW
Konzept der lokalen Dauerfestigkeit• beschreibt in Abhängigkeit vom Oberflächenabstand den Einfluss von:
• Eigenspannungen• Härteänderungen
auf die Dauerfestigkeit.
• Kerbgeometrie• Spannungsgradienten
•Rauheitsänderungen
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0,0 0,5 1,0 1,5 2,00
2
4
6
8
10
1,6
1,5
1,2
1
1,25 1,5
1
Mb / Mb,0 = 1,6
KLS+ESeff
AFP - Stahl
KLSeff
Kef
f /
K th
Risstiefe [mm]
Nichtausbreitungsfähigkeit von Ermüdungsrissen• Ausbreitung von sich bildenden Ermüdungsrissen wird gestoppt, wenn die effektive Schwingweite der Spannungsintensität Keffkleiner als der Schwellwert für Ermüdungsrissausbreitung Kth,effwird: Keff = Kmax – max{Kmin, Kop} Kth,eff
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Konzept der lokalen Dauerfestigkeit
Berechnung der lokalen Dauerfestigkeitunter Berücksichtigung von:
EigenspannungenHärteOberflächentopographieKerbgeometrieSpannungsgradienten
in Abhängigkeit des Oberflächenzustands:
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∙ ∙ ∙ 1
Vergleich mit lokalen Lastspannungen erlaubt Bestimmung der höchstmöglichen Beanspruchung und des zu erwartenden Anrissortes
glatt
gekerbt
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Surface Engineering – Simulative Ansätze
FEM-Simulation:Vorhersage der Oberflächeneigenschaften (u.a.)Eingabegrößen für Konzept der lokalen Dauerfestigkeit
Beispiel: KugelstrahlsimulationSimulationsmodell Eigenspannungszustand
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Quelle: Klemenz, M., Schulze, V., Rohr, I., & Löhe, D. (2009). Application of the FEM for the prediction of the surface layer characteristics after shot peening. Journal of Materials Processing Technology, 209(8), 4093-4102.
36
Prinzip der Nichtausbreitungsfähigkeit von Ermüdungsrissen
Betrachtung von Spannungsintensitäten:Rissschließeffekt durch Druckeigenspannungen
Einmal gebildete Risse müssen nicht unbedingt wachstumsfähig sein
Grundsätzlich gilt: Keff = Kmax – max {Kmin, Kop} Einbezug der Eigenspannungsintensität Kr durch direkte additive Überlagerung der Eigenspannungen mit der Lastspannung oder durch gewichtete Berücksichtigung:Keff = Kmax + Kr – max {Kmin+Kr, Kop+Kr } Unterschreitung des Thresholdwertes Keff < Kth führt zu Rissstopp
Beispiel: Rissstopp in festgewalzter Randschicht:
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ES
OberflächenabstandOberflächenabstand
Kef
f
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Surface Engineering - Lokale Dauerfestigkeit in Kombination mit Rissausbreitungsfähigkeit
Konzept der lokalen DauerfestigkeitErgänzt durch Betrachtung RissinitiierungsbereicheRisslängen bezüglich Ausbreitungsfähigkeit im Initiierungsbereich und unter Wirkung der Eigenspannungen bewertet
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Oberflächenabstand z
RW
(z)
und
a (z)
z +K
z+RWRW,prog
RW (z)
* a
z ini
0 1 2 3
3 2
1K th,eff
K ef
f
38
Vorhersage der Kerbschwingfestigkeit für 42CrMo4 V450
200 300 400 500 600200
300
400
500
600
700
= 1.3 mm
= 3.0 mm
= 2.0 mm
= 0.5 mm - 10%
+ 10%
Rissinitiierung: an der Oberfläche unter der Oberfläche *
a = RkW,prog
* a [M
Pa]
RkW,exp [MPa]
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Surface Engineering –Sonderfall Warmstrahlen von 42CrMo 4
Prinzip:Bauteil wird zum Strahlen erwärmtEigenspannungsentstehung wie bei Kugelstrahlen
Auswirkungen:Kaum Änderungen im Eigenspannungszustand, aber stabilere EigenspannungenGrund: Statische Reckalterung
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0 300 350 400-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0 N = 0 N = 1 N = 10
20
N = 100 N = 1000
Strahltemperatur [°C]
Eige
nspa
nnun
gen
[MPa
]
Menig, R., Schulze, V., & Vöhringer, O. (2002). Optimized warm peening of the quenched and tempered steel AISI 4140. Materials Science and Engineering: A, 335(1), 198-206.
0 300 350 400-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0 N = 0 N = 1 N = 10
20
N = 100 N = 1000
Strahltemperatur [°C]
Eige
nspa
nnun
gen
[MPa
]
σ ,∗ 1000MPa
40
Gliederung
I. Fertigung und Eigenspannungen – Motivation
II. Systematik der Ursachen von Eigenspannungen anhand von Beispielen aus:
III. Auswirkungen von Eigenspannungen und Surface-Engineering
IV. Zusammenfassung
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
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Zusammenfassung
Bauteile enthalten immer fertigungsbedingte Eigenspannungen mitmechanischer,thermischer, umwandlungsbedingter,chemischer
Herkunft.
Eigenspannungen können sich im Betrieb positiv oder negativ auswirken
Surface Engineering: Gezielte Einstellung gewünschter Oberflächeneigenschaften im Fertigungsprozess
Gezielte Einbringung von EigenspannungenAusnutzung der positiven Effekte der Eigenspannungen
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
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Wechselwirkungen aufeinanderfolgender Prozesse
Gießen
Umformen
Weich‐bearbeitung
Wärme‐behandlung
Hart‐bearbeitung
Oberflächen‐behandlung
Geometrie
Eigen-spannungen Mikro-
struktur
Textur
Eine optimale Prozessführung (ökonomisch, verzugsarm, …) kann nur entwickelt werden, wenn die Vererbung der Bauteileigenschaften zwischen den Prozessschritten berücksichtigt wird.
Distortion Engineering:Auslegung der Prozesskette, so dass sich der Verzug der einzelnen Prozessschritte eliminiert oder in einem späteren Schritt auflöst.
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Fertigung und Eigenspannungen09.10.2015
43 Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze – Mechanische Oberflächenbehandlungen09.10.2015
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Kontakt
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)wbk Institut für Produktionstechnik
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker SchulzeKaiserstraße 12 76131 Karlsruhe Tel. +49 721 608-42440Fax: +49 721 608-45005www.wbk.kit.edu
ForschungsschwerpunkteKontakt
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