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Zimmermann, Frieder: Kriechformen von dünnwandigen Strukturen aus AlMgSc für Flugzeuganwendungen

F. Zimmermann1, A. Jahn1, J. Standfuß1

15. September 2015, Dresden – Werkstoffwoche 2015

Kriechformen von dünnwandigen Strukturen aus AlMgSc für Flugzeuganwendungen

1Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik

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AGENDA

Motivation

Stand der Technik

Kriechformprozess

Aluminiumlegierung AlMgSc

Umformverhalten von sphärischen Strukturen

Versuchsaufbau

FE-Simulation

Erste Ergebnisse

Zusammenfassung und Ausblick

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Motivation

Optimierung in der Fertigung von großflächigen und dünnwandigen Aluminium-Strukturen

Flügelschalen (z.B. obere Flügelschalen des A330, A340, A380: bereits kriechgeformt (1))

Rumpfschalen

Hinterer Druckschott

Stringer

Spant

Außen- haut

(1)Diego José Inforzatoa: Creep-Age Forming of AA7475 Aluminum Panels for Aircraft Lower Wing Skin Application. (2012)

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Motivation

Stetiger Trend zu integralen Strukturen im Flugzeugbau aufgrund folgender Forderungen:

Leichtbau

Niedrige Fertigungskosten

Hohe Bauteilbelastbarkeit (hohe Festigkeit und Steifigkeit)

Thema: Kriechformen von dünnwandigen Strukturen aus AlMgSc für Flugzeuganwendungen

Werkstoff

Konstruktion Fertigung

AlMgSc

Kriechformen sphärische und dünnwandige Strukturen neigen zur Faltenbildung während des

Umformvorgangs

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AGENDA

Motivation

Stand der Technik

Kriechformprozess

Aluminiumlegierung AlMgSc

Umformverhalten von sphärischen Strukturen

Versuchsaufbau

FE-Simulation

Erste Ergebnisse

Zusammenfassung und Ausblick

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Stand der Technik Kriechformprozess I

Thermo-mechanisch gekoppelter Prozess

Prozessschritte(2)

Nutzung von Kriechmechanismen

Vorteile im Vergleich zu konventionellen Umformverfahren

Sehr geringe elastische Rückfederung; geringe Eigenspannungen

Umformen von komplexen Strukturen (z.B. mit Versteifungen)

Kriechen(3) Spannungsrelaxation(3)

(2)Jambu, S.: Viscoplastic flow behaviour of a new-grade AlMgSc alloy: Applications for creep forming. (2001) (3)Rust, W. : Nichtlineare FE-Berechnungen. (2011)

a b c pVak

T t

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Stand der Technik Kriechformprozess II

1989: von M.C. Holman erstmals erwähnt und patentiert (Textron Aerostructures):

Kombination von Kriechform- und Auslagerungsvorgängen anwendbar für ausscheidungshärtbare Legierungen 2xxx-, 6xxx-, 7xxx-Aluminiumlegierungen

Problem: Kriechformprozess ist abhängig vom Auslagerungszyklus

Beispiel: notwendige Prozesszeit eines Kriechformzyklus für 7xxx-Legierungen (Flügelschalen) beträgt t = 20 h(5)

“Autoclave Age Forming Large Aluminum Aircraft Panels”

(4)Holman, M.C.: Autoclave Age Forming Large Aluminum Aircraft Panels. (1989) (5)P.R. Costa Junior et al.: Evaluation of a 7050-TAF Aluminum Alloy Submitted to Creep Age Forming. (2013)

(4)

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Stand der Technik AlMgSc I

Neuartige Legierung AlMgSc, Eigenschaften(6):

Geringe Dichte (-5 % im Vergleich zu AA2024)

Gute Schweißbarkeit (LBW & FSW)

Gute Korrosionsbeständigkeit

Hervorragendes Schadenstoleranzverhalten

kriechformbar

AlMgSc ist eine nicht-aushärtbare Legierung (5xxx) Kriechformprozess ist unabhängig von Auslagerungszyklen

Hohe Rekristallisationstemperatur

(6)Aleris: Aerospace Aluminum AA5024 AlMgSc Sheet. (2013)

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Einfluss des Elements Scandium auf die Kriechformbarkeit von AlMgSc:

Aluminium bildet zusammen mit Scandium die thermisch stabile Al3Sc-Phase

Mittels Substitution von Scandium durch Zirkonium in der Ausscheidungs- phase (Al3(Sc1-xZrx)) wird dieser Effekt verstärkt (siehe Diagramm)

Hohe Rekristallisationstemperatur

Al3(Sc1-xZrx) dient zudem als Kornfeiner

Hohe Kriechneigung

(7)Riddle et al.: Control of Recrystallization in Al-Mg-Sc-Zr alloys. (1998)

Stand der Technik AlMgSc II

(7)

Rekristallisiertes Volumen vs. Temperatur

Rek

rist

allis

iert

es V

olu

men

[%

]

Temperatur [°C]

Al-0.12Zr Al-0.2Sc Al-0.12Zr-0,2Sc

350 400 450 500 550 600

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AGENDA

Motivation

Stand der Technik

Kriechformprozess

Aluminiumlegierung AlMgSc

Umformverhalten von sphärischen Strukturen

Versuchsaufbau

FE-Simulation

Erste Ergebnisse

Zusammenfassung und Ausblick

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Umformbarkeit von sphärischen Strukturen

Problem:

Doppelt gekrümmte Strukturen neigen beim Kriechformen zum Beulen aufgrund tangentialer Druckspannungen σφ

Forschungsinhalt:

Untersuchungen zum Umformverhalten von sphärischen Schalen als Beispiel doppelt gekrümmter Strukturen

Ermittlung der Grenzen der Umformbarkeit in Abhängigkeit von

der Geometrie (Krümmungsradius R, Blechdicke s, Rondendurchmesser d)

den Prozessparametern (Druck p, Temperatur ϑ, Zeit t)

Zusätzliche Elemente (bspw. Niederhalter)

R

s d

σφ

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Versuchsaufbau

Prozessschritte

Umformbarkeit von sphärischen Strukturen Versuchsaufbau

Messtechnik

Vakuumpumpe und -regler Positionssensor Form (3 sphärisch gekrümmte Formen mit unterschiedlichen Krümmungsradien: R = 1000…1500…2000 mm)

Ofen

Ronde

a b c

pmax ≈ 1 bar ϑmax = 325 °C

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Umformbarkeit von sphärischen Strukturen FE-Simulation

Berechnung

Explizit (Pam-Crash)

Geometrie / Netz

2-dimensional / 4-knotige Schalenelemente

Material

Elastisch-plastisch

Randbedingungen / Lasten

Form als starr (Rigid Body) definiert und gelagert

Ronde mit Druck belastet 0 bar < p < 1 bar

p

Form (starr, gelagert)

Ronde

(*) Knotenverschiebungsausgabe “nach unten”

(*)

Kein Beulen Beulen (pkr = 0,2 bar)

= unterkritisch = überkritisch

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Umformbarkeit von sphärischen Strukturen Erste Ergebnisse I

Ermittlung von kritischen Rondendurchmessern (kritisch in Bezug auf Beulbildung) in Abhängigkeit von Dicke und Krümmung dkrit = f(R, s)

Ronden mit 3 verschiedenen Blechdicken s = 1…1,5…2 mm

Umformen bei Raumtemperatur

Verwendung einer Alternativlegierung (AlMg4,5Mn bzw. AA5083) aufgrund der geringen Verfügbarkeit von AlMgSc (AA5028)

Beulen

Kein Beulen

Beulen

Kein Beulen

Fig. 1: Experimentelle Ergebnisse Fig. 2: Simulationsergebnisse

Kritische Rondendurchmesser - „Beulgrenze“

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Der faltenfrei umformbare Rondendurchmesser steigt mit zunehmender Blechdicke und abnehmender Formkrümmung an

Art und Weise der Beulausbildungen ist abhängig von Blechdicke und Formkrümmung

Höhere Blechdicken und größere Krümmungen (d.h. kleinere Krümmungsradien!) führen zuerst zum Beulen nach außen

Umformbarkeit von sphärischen Strukturen Erste Ergebnisse II

Beulen nach außen (bzw. “nach unten”)

Beulen nach innen (bzw. “nach oben”)

Beulen nach außen und innen

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Umformbarkeit von sphärischen Strukturen Erste Ergebnisse III

Kriech- bzw. Relaxationsumformen einer Ronde aus AlMgSc (R = 2000 mm, s = 1,6 mm, d = 1154 mm)

1. Kaltumformen (pmax)

2. Aufheizen (ϑmax) + Relaxation (t = 2h)

3. Abkühlen, entlasten und entformen

Ergebnisse

Kein Beulen (unterkritischer Rondendurchmesser)

Vollständige Anlage bei pmax und ϑmax (w = 85 mm)

Sehr geringe elastische Rückfederung (Δw ≈ 2 mm)

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AGENDA

Motivation

Stand der Technik

Kriechformprozess

Aluminiumlegierung AlMgSc

Umformverhalten von sphärischen Strukturen

Versuchsaufbau

FE-Simulation

Erste Ergebnisse

Zusammenfassung und Ausblick

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Zusammenfassung & Ausblick

Zusammenfassung

Kriechformen von großflächigen Aluminiumstrukturen mit großem Potenzial, Fertigungsaufwand und -kosten einzusparen

Doppelt gekrümmte Strukturen (bzw. sphärische Strukturen) neigen zum Beulversagen während des Umformprozesses

Abhängigkeit der Geometrie auf das Beulverhalten untersucht

Je größer die Blechdicke und je kleiner die Formkrümmung, desto größer der faltenfrei umformbare Rondendurchmesser („kritischer Rondendurchmesser“)

Neue Aluminiumlegierung AlMgSc erlaubt eine Wärmebehandlung bei sehr hohen Temperaturen (ϑmax = 325 °C) geringe el. Rückfederung

Ausblick

Untersuchungen zum Vorbeugen von Beulen durch Niederhalter

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Dipl.-Ing. Frieder Zimmermann Fraunhofer IWS Winterbergstraße 28 01277 Dresden Telefon +49 351 83391-3063 Fax +49 351 83391-3210 E-Mail frieder.zimmermann@iws.fraunhofer.de www.iws.fraunhofer.de

Danksagung:

Wir bedanken uns für die finanzielle Unterstützung.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!