Das Reibschweißen (RS) ist ein industriell gut etabliertes Fügeverfahren, da es wirtschaftlich, robust, präzise und reproduzierbar ist.
Die Beweggründe für die Simulation des RS-Prozesses sind im wissenschaftlichen und industriellen Kontext vielfältig. Sie reichen von der allgemeinen Erhöhung des Verständnisses der Prozessphysik über die Vorhersage von Eigenspannungen bis hin zu der Optimierung von Prozessparametern oder der Entwicklung neuer RS-Varianten.
Vor diesem Hintergrund wurden eine Reihe an verschiedenen Simulationsansätzen veröffentlicht, welche sich im Wesentlichen in der Modellierung des Materialverhaltens, der Reibung, des Kontakts sowie in der Lösungsmethodik für das thermomechanische Problem unterscheiden. Aufgrund der Charakteristik des RS-Prozesses muss die Simulation, sowohl materiell als auch geometrisch, als nichtlinearer Deformationsprozess behandelt werden. Eine Schwachstelle dieser FE-Simulationsansätze ist, dass lokale, große Deformationen nicht oder nur im Rahmen einer Neuvernetzung der Geometrien während der Zeitintegration berücksichtigt werden können. Die Neuvernetzung verursacht jedoch, neben dem offensichtlichen zeitlichen und rechentechnischen Mehraufwand aufgrund des bloßen Prozesses der erneuten Diskretisierung, auch im Lösungsprozess, bedingt durch das wiederholte Aufstellen und Invertieren der Tangentenmatix, einen signifikanten zusätzlichen Aufwand.
Um diese Nachteile zu umgehen, kann ein zu den üblichen isoparametrischen finiten Elementen alternativer Ansatz verwendet werden, der zwei verschiedene Arten an Formfunktionen vorsieht, um die virtuellen und die nicht-virtuellen Feldgrößen zu approximieren. Als Resultat ergibt sich eine unsymmetrische Elementsteifigkeitsmatrix, weshalb das Verfahren auch als unsymmetrische Finite-Elemente-Methode (UFEM) bezeichnet wird. Es kann dabei gezeigt werden, dass diese alternative Formulierung netzverzerrungsresistent ist, d.h. dass auch bei großen Deformationen und stark verzerrten Elementen im Rahmen der Diskretisierung exakte Ergebnisse generiert werden.
Damit ist es möglich das Problem der wiederholten Neuvernetzung bei der Simulation des RS-Prozesses zu vermeiden, was sowohl für die Rechenzeit als auch für das Post-Processing signifikante Vorteile verspricht. Trotz der Entwicklung des Ansatzes der UFEM seit den 2000er Jahren ist die Übertragung auf geometrisch sowie materiell nichtlineare Fragestellungen mit geometrisch verzerrten Elementen bisher nur unzureichend erfolgt.
Im Rahmen des Projekts soll deshalb die Anwendung der UFEM für RS-Simulationen entwickelt sowie unter Berücksichtigung der prozessspezifischen Bedingungen bzgl. der Vorteile und potentieller Nachteile detailliert analysiert werden.

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Das erklärte Ziel des Projektes ist die kontinuierliche Umsetzung der im Projekt: Reibgeschweißte Hybridverbindungen aus Aluminium und Stahl: experimentelle Untersuchung und phänomenologische Modellierung erstellten Modelle. Dafür wird eigens eine Simulationsplattform entwickelt, in der die Berechnungen für die Prozess-, Werkstoff- und Struktursimulation (virtueller Zugversuch) inkrementell zusammenlaufen. Im Anschluss wird die Modellierungsmethode durch eine Validierung der simulierten Tragfähigkeit mit entsprechenden experimentellen Daten kritisch bewertet. Nach erfolgreicher Validierung soll eine Verbesserung der Tragfähigkeit der Hybridverbindung durch gezielte Prozessoptimierung erfolgen.

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Das Reibschweißen ist ein etabliertes Fügeverfahren, welches in vielen Bereichen des Maschinenbaus zur Herstellung von Hybridstrukturen aus Aluminium und Stahl genutzt wird. Entscheidend für die Gebrauchstauglichkeit von Hybridverbindungen ist vor allem die werkstoffadäquate Ausbildung der Verbindung. Aufgrund der Abhängigkeit der Schweißverbindung von der Ausprägung, Art und Kontinuität der intermetallischen Diffusionsschicht, des Gefüges und der stoffschlüssigen Anbindung, ist die Entwicklung einer reibgeschweißten Hybridstrukturen mit optimalen Eigenschaften häufig zeit- und kostenintensiv. Gerade für kmU ist es daher nahezu unmöglich solche Hybridstrukturen wirtschaftlich zu entwickeln. Erklärtes Ziel des Projektes ist der Aufbau und die Erprobung einer Simulation für die Auslegung reibgeschweißten Hybridverbindungen aus Aluminium und Stahl. Zu diesem Zweck werden entsprechende Reibschweißversuche durchgeführt, wobei die Prozessparameter systematisch variiert werden. Diese Versuche liefern die Datenbasis für die experimentelle Analyse der makros-, mesos- und mikroskopischen Einflüsse auf die Tragfähigkeit der Struktur. Gleichzeitig dienen die Versuche als Validierungsgrundlage für die Simulation des Schweißprozesses selbst. Mit Hilfe der Prozesssimulation können die Auswirkungen der Prozessparameter auf die Prozessgrößen und somit auf die Werkstoff- und den Struktureigenschaften abgeleitet werden. Ausgehend davon werden entsprechende phänomenologische Modelle entwickelt, um die maßgeblichen Einflüsse abzubilden. Anschließend werden diese Ergebnisse als Ausgangsbedingung bei der Simulation der Tragfähigkeit (virtueller Zugversuch) der Hybridverbindung verwendet.
Insbesondere für kmU wird mithilfe der Simulation die wirtschaftliche Möglichkeit geschaffen, die Verbindung prädiktiv in Abhängigkeit des gewählten Prozesses zu bewerten. Komplexe Reibschweißaufgaben lassen sich damit bereits im Vorfeld der Versuchsdurchführung analysieren und entsprechend optimieren.

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Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines außenverzahnten Zahnrads in einer Al-Fe-Mischbauweise. Dabei soll der Innenteil des Zahnrades aus Aluminium gefertigt und in den Stahlaußenring eingeschweißt werden. Zur sicheren Übertragung möglichst hoher Kräfte und Momente soll eine Reibschweißverbindung auf der Umfangsfläche realisiert werden. Für die Auslegung der Fügegeometrie werden prädiktive Verfahren der Reibschweißsimulation verwendet, die eine Bestimmung der Prozesskenngrößen ermöglichen, auf deren Basis eine multikriterielle Optimierung des Fügeverfahrens durchgeführt werden kann.

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