Clausthal University of Technology
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Medienführende Gussteile mit Hohlstrukturen hergestellt durch Gasinjektionstechnologie im Druckgießverfahren
Full text linkDie Anwendung der Gasinjektionstechnologie zur Herstellung von Hohlstrukturen im Druckgießverfahren ermöglicht neue Freiheitsgrade und Einsparpotenziale bei der Herstellung funktionsintegrierter, medienführender Gussteile. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten und Grenzen des Gasinjektionsprozesses und das Potenzial der Gasinjektionstechnologie für die industrielle Anwendung aufgezeigt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Gasinjektionstechnologie im Druckguss weiterzuentwickeln und dadurch Optimierungspotenziale aufzuzeigen. Diese umfassen die Entwicklung und Erprobung gasinjektionsspezifischer Komponenten, die Untersuchung gasinjektionsspezifischer Prozessparameter und die Übertragung der Gasinjektionstechnologie auf ein seriennahes Gussteil. Für die Gießversuche wurde ein Demonstrator-Kühlgehäuse konstruiert, in welchem aus vorherigen Forschungsarbeiten bekannte Erkenntnisse für eine gasinjektionsgerechte Gussteilkonstruktion berücksichtigt wurden. In der Konstruktion des Druckgießwerkzeugs wurden die zu variierenden gasinjektionsspezifischen Komponenten berücksichtigt, die auf Grundlage zuvor durchgeführter Gießprozesssimulationen entwickelt wurden. In Vorversuchen wurden vorwiegend die gasinjektionsspezifischen Komponenten und Legierungen variiert und erprobt, um den Effekt auf die Machbarkeit des Gasinjektionsprozesses und die Herstellung fehlerfreier Hohlkanäle zu ermitteln. Bei den Hauptversuchen wurden gasinjektionsspezifische Prozessparameter und Legierungen variiert. Die Ermittlung der Effekte und Wechselwirkungen unterschiedlicher Faktoren auf die Ausprägung des Hohlkanals standen im Fokus der Versuchsauswertung. Diese Versuchsergebnisse ermöglichen ein tiefgründigeres Prozessverständnis der Gasinjektionstechnologie im Druckguss. Die Übertragbarkeit der Gasinjektionstechnologie auf ein seriennahes Gussteil wurde durch die Anpassung eines Großseriengussteils an die Anforderungen der Gasinjektionstechnologie nachgewiesen. Die Simulationsmöglichkeit des Gasinjektionsprozesses wurde mit einer etablierten Software zur Gießprozesssimulation aufgezeigt. Durch Gießversuche wurde eine gute Übereinstimmung der Simulation mit den Hohlkanälen nachgewiesen.The application of gas injection technology for the production of hollow structures in high pressure die casting enables new degrees of freedom and cost-saving potentials in the manufacturing of functionally integrated, media-carrying castings. This study explores the possibilities and limitations of the gas injection process and demonstrates the potential of gas injection technology for industrial applications. The aim of this research work is to develop gas injection technology in high pressure die casting further and identify optimization potentials. This includes the development and testing of gas injection-specific components, the investigations of gas injection-specific process parameters, and the transfer of gas injection technology to a production-like casting. A demonstrator cooling housing was designed for the casting trials, whereby known results were considered from previous research on gas injection-compa-tible cast part design. The design of the high pressure die casting mold conside-red the gas injection-specific components to be varied, which were developed based on prior casting process simulations. In preliminary trials, the focus was on varying and testing gas injection-specific components and alloys to determine their effect on the feasibility of the gas injection process and the production of defect-free hollow channels. In the main trials, gas injection-specific parameters and alloys were varied. The evaluation of the effects and interactions of process parameters, alloys and the characteristics of the hollow channel were central to the analysis. These results provide a deeper understanding of the gas injection technology in high pressure die casting. The transferability of gas injection technology to a production-like casting was demonstrated by adapting a high-volume production casting to the requirements of gas injection technology. The simulation capability of the gas injection process was demonstrated using established high pressure die casting process simulation software. Casting trials showed a good correlation between the simulation and the actual hollow channels produced
Beitrag zur Prozessanalyse beim Widerstandspunktschweißen als Grundlage prozessdatenbasierter Qualitätsüberwachung in der Karosserie-Serienfertigung
Full text linkDas Widerstandspunktschweißen ist das zentrale Fügeverfahren im Karosseriebau. Die derzeit etablierte Qualitätsprüfung erfolgt überwiegend manuell und ist mit einem hohen Prüfaufwand verbunden. Prozessdatenbasierte Ansätze eröffnen hier eine effiziente Alternative, ihre Integration in bestehende Qualitätssicherungsprozesse scheitert bislang jedoch an fehlenden methodischen Grundlagen zur Bewertung ihrer Eignung im Sinne der Prüfprozesseignung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, wie qualitätsrelevante Prozessdatenmerkmale identifiziert und insbesondere physikalisch validiert werden können. Am Beispiel des Widerstandspunktschweißens wurden hierzu experimentelle Schweißversuche unter definierten Bedingungen durchgeführt, die abgeleiteten Merkmale mithilfe statistischer Verfahren und maschineller Lernmethoden selektiert und mit physikalischem Prozessverständnis verknüpft. Die Ergebnisse zeigen, dass sich aus dem Prozesssignal der beweglichen Elektrode während des Schweißprozesses robuste Merkmale zur Qualitätsbewertung ableiten lassen. Ergänzend konnte gezeigt werden, dass zusätzliche Signale aus der Antriebseinheit wertvolle Hinweise auf mechanische Abweichungen liefern, was eine gezielte Überwachung der Modellanwendung für den Praxiseinsatz ermöglicht. Auf dieser Grundlage wird eine Vorgehensweise zur Identifikation und Validierung qualitätsrelevanter Prozessdatenmerkmale zur Verfügung gestellt, wodurch eine Anschlussfähigkeit an bestehende normative Rahmenwerke wie den VDA-Band 5 ermöglicht werden soll. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag zur systematischen Entwicklung datenbasierter Prüfprozesse, die sowohl statistisch leistungsfähig als auch physikalisch nachvollziehbar sind.Resistance spot welding is the primary joining process in automotive body-in-white production. The currently established quality inspection is carried out predominantly manually and involves a high inspection effort. Process-data-based approaches offer an efficient alternative, however, their integration into existing quality assurance processes has so far failed due to the lack of methodological foundations for evaluating their suitability in terms of inspection process capability. In the context of this work, methods were investigated to identify and, in particular, physically validate quality-relevant process data features. Using resistance spot welding as an example, experimental welding trials were performed under defined conditions. The derived features were selected using statistical methods and machine learning techniques and were linked to physical process understanding. The results show that robust features for quality assessment can be derived from the process signal of the movable electrode during the welding process. In addition, it was demonstrated that supplementary signals from the actuator unit provide valuable information on mechanical deviations, enabling targeted monitoring of model applicability for industrial use. Based on these findings, a procedure for the identification and validation of quality-relevant process data features is presented, enabling compatibility with existing normative frameworks such as VDA Volume 5. The work thus contributes to the systematic development of data-driven inspection processes that are both statistically capable and physically traceable
Investigations on the sealing performance of premium connections under cyclic downhole service conditions
Full text linkIn Anbetracht des branchenweiten Interesses an der Förderung und Speicherung kohlenstoffarmer, untertägiger Energieträger steigt die Nachfrage nach gasdichten (Premium-)Verbindungen, die komplexen Betriebsbelastungen standhalten. Dies ist insbesondere relevant, da 76 % der dokumentierten Fälle von Bohrlochintegritätsversagen direkt auf Leckagen in Rohrverbinder unter Hochdruckbedingungen zurückzuführen sind. Dieses Phänomen erfordert eine gründliche Neubewertung der branchenweit geltenden Testprotokolle und Standards für die Qualifizierung gasdichter Verbindungen, da bestehende Qualifizierungsphilosophien die realen Betriebsbedingungen – etwa bei der untertägigen Speicherung und Gewinnung von Wasserstoff oder der Förderung von Hochenthalpie-Dampf aus Tiefengeothermiebohrungen – nicht vollständig abbilden. Auf Grundlage von Betriebsdaten aus ausgewählten Szenarien der Tiefengeothermie und untertägigen Speicherung wurde in dieser Arbeit ein maßgeschneidertes Belastungsszenario entwickelt, das die Lebensdauer von Verbindungen unter zyklischen Produktions- und Injektionsbedingungen bei schwankendem Hochdruck nachbildet. Die Ergebnisse dieser Analyse führten zur Auswahl einer gasdichten Verbindungsgeometrie, die für die genannten Anwendungen repräsentativ ist, sowie zur Ermittlung der axialen Belastungs- und Innendruckwerte, die für die Konstruktion und den Bau eines Prüfstands erforderlich waren, mit dem die spezifischen Bohrlochbedingungen simuliert werden können. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein Satz Prüfkörper mit der ausgewählten Verbindungsgeometrie gefertigt. Um die „ungünstigsten“ Kontaktbedingungen an der Metall-Metall-Dichtung (MTM), einer typischen mechanischen Anordnung für gasdichte Verbindungen, zu simulieren, wurden die Prüfkörper mit unterschiedlichen Verbindungsüberlappungen versehen. In der ersten Versuchsphase wurden die Prüfkörper wiederholt verschraubt (Make-Up, MU) und entschraubt (Break-Out, BO), um den Einbau von Ölfeldrohren am Rig Floor (Bohranlage) realitätsnah nachzustellen. Nach jedem MU/BO-Zyklus wurden Ovalität und Oberflächenrauheit der MTM-Dichtbereiche gemessen und dokumentiert. In der zweiten Phase wurden „kraftverschraubte“ Prüfkörper unter kombinierten Belastungen getestet, um die Betriebslebensdauer einer untertägigen Speicherbohrung mit zyklischen Förder- und Injektionsphasen nachzubilden. Hierbei wurden 200–250 Zyklen unter gleichzeitigem Innendruck und axialer Zug-/Druckbelastung bei 80 % der Streckgrenze (VMS) gefahren. Als Testmedien dienten Wasser und Stickstoff. Parallel wurde die Dichtungsleistung der Verbindung unter axialer Belastung und deren Einfluss auf die MTM-Dichtflächen untersucht. Zur Validierung der Ergebnisse wurden zusätzlich numerische Simulationen mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) durchgeführt. Diese zeigten, dass die Zugbelastung den kritischsten Belastungsmodus darstellt und insbesondere die Schulterfläche am stärksten von der zyklischen Axialbeanspruchung betroffen ist. Der Anpressdruck an den MTM-Dichtungen sank dabei in der kritischsten Belastungsphase von 1749 MPa auf 755 MPa (−56,8 %), was das Leckagerisiko signifikant erhöht. Die Studie identifizierte somit die Zugbelastung als Hauptfaktor für den Verlust der Dichtungsintegrität. Zudem zeigte sich, dass die Oberflächenrauheit bereits nach dem zweiten MU/BO-Zyklus – und noch vor sichtbaren Dichtungsschäden (Verschleiß, „Fressen“) – abnahm. Diese Beobachtung, gestützt durch numerische Analysen, eröffnet die Möglichkeit eines prädiktiven Ansatzes zur Bewertung des Verbindungsversagensrisikos vor Beginn der Betriebsphase eines Rohrstrangs. Obwohl die getestete Verbindungsgeometrie unter kombinierter Belastung eine insgesamt zufriedenstellende Dichtungsleistung erbrachte, bleibt ihre hohe Verschleißneigung während MU/BO ein wesentliches Hindernis für den Feldeinsatz und eine Qualifizierung nach Standards wie ISO 13679. Dieser Trend steht im Zusammenhang mit fertigungstechnischen Aspekten und der spezifischen Leistungscharakteristik der untersuchten Geometrie. Für zukünftige Arbeiten wird daher empfohlen, zusätzliche Verbindungsgeometrien zu testen, um die gewonnenen Erkenntnisse zu validieren und deren Anwendbarkeit auf ein breiteres Einsatzspektrum auszuweiten.With a documented 76% of wellbore integrity failures directly linked to leakage events in oilfield tubular connections run in high-pressure downhole environments, the demand for gas-tight (Premium) connections capable of withstanding complex service loads is increasing in light of a growing industry-wide interest in the production and storage of carbon-free underground energy carriers. This phenomenon motivates a thorough reassessment of industry-wide testing protocols and standards relevant to the qualification of gas-tight connections, as existing qualification philosophies do not fully address the operating conditions of, e.g., the underground storage and retrieval of hydrogen or the production of high-enthalpy steam from deep geothermal wellbores. During the course of this work, a custom connection service life scenario featuring cyclic production-injection cycles under fluctuating high pressure was formulated on the basis of field data from selected deep geothermal and underground storage scenarios. The deliverables from this assessment led to the selection of a gas-tight connection geometry representative of the above-mentioned applications, as well as the definition of the axial load and internal pressure levels necessary for the design and construction of a novel testing rig able to mimic said downhole conditions. A set of tubular samples featuring the selected connection geometry was manufactured and prepared for the experimental assessments of this work. These threaded samples featured different levels of connection interference to simulate “worst-case” contact conditions at the metal-to-metal (MTM) seal, a typical mechanical arrangement for gas-tight connections. In the first experimental stage of this work, the specimens underwent Make Up (MU)/Break Out (BO) cycling in order to replicate tubular screwing and running at the rig floor. After each successful MU/BO run, seal ovality and surface roughness on the MTM seal areas of the specimens were measured and documented. The second stage of this assessment featured experiments on the “power-tight” screwed specimens to replicate the production lifetime of an underground energy well facing cyclic production and injection stages. The specimens were subjected to a set of testing runs consisting of 200–250 test cycles under combined loading (internal pressure + compressive-tensile loading at 80% VMS of the specimens). Water and nitrogen were used as test media. At the same time, the sealability performance of the connection was evaluated under the effects of axial loading and its impact on the tightness properties of energized MTM seals. Numerical assessments using Finite Element Analysis (FEA) simulating the above-mentioned downhole conditions took place in parallel with the experiments, thus validating the findings from testing. Findings from the numerical analysis revealed that tensile loading is the most critical mode, with the shoulder surface experiencing the highest impact of cyclic axial loading. Contact pressure at the MTM seals dropped from 1749 MPa to 755 MPa (a 56.8% decrease) at the most critical stage of loading, thus increasing the risk of leakage. The study identified tensile loading as the primary factor reducing seal integrity. Additionally, surface roughness decreased after Make Up 2 but before visible seal damage (galling). This observation, supported by numerical analysis, allows for a predictive approach to assessing connection failure risks before service life. Even though the tested connection geometry showed satisfactory sealability performance under combined loading, its high tendency for galling during MU/BO still poses challenges for field operations and future attemtps to qualify it under connection qualification procedures like e.g. ISO 13679. The latter trend was related to manufacturing aspects and the characteristic performance of such specific connection geometries. Therefore, further testing on additional connection geometries is advised to validate and extend the findings of this work to a broader range of applications
Was lernen wir aus dem transdisziplinären Forschungsansatz für die Standortsuche?: Die Ergebnisse aus dem transdisziplinären Arbeitspaket DIPRO
Full text linkHow to Publish: (wissenschaftlich) publizieren in Zeitschriften
Full text linkZur wissenschaftlichen Arbeit gehört die Veröffentlichung der erzielten Ergebnisse untrennbar dazu. Trotzdem ist dieser Prozess, insbesondere für junge Forschende, häufig intransparent und scheinbar komplex. Diese Veranstaltung hat das Ziel, die zur Veröffentlichung einer Publikation führenden Abläufe zu erklären und, wo möglich, Hilfestellung zu leisten, gerne auch bei mitgebrachten Fragen
Polymer-polymer interdiffusion: a brief overview and a study outline on example of coextruded polymer films
Full text linkA brief overview of the mechanisms of polymer-polymer interdiffusion is presented based on numerous sources. Various existing models describing the diffusion mechanisms are summarized, including the Fick´s law, theories based on the obstruction ef-fects, hydrodynamic models and free volume theories. The strengths and weaknesses of these models are briefly discussed focusing on their applicability for describing polymer melts. The layer boundaries of several combinations of coextruded thermodynamically incompatible plastics, such as PC-PMMA, PC-ABS are visualized using microtome sections and light microscopy. The boundaries were found to be clearly defined, with the interdiffusion layer not visible under light microscopy. A question is raised regarding the impact of the polymer interdiffusion on the adhesion strength between two coextruded polymer layers specifically for polymers with large solubility differences. An outline of the future study and a preliminary experimental approach are briefly described
Influence of heat input on properties and residual stresses in hybrid additive manufacturing of high strength steels using MSG processes
Full text linkThe application of steels with a higher yield strength allows reductions in wall thickness, component weight and production costs. Hybrid additive manufacturing based on Gas Metal Arc Welding (GMAW) processes (DED-Arc) can be used to realise highly efficient component modifications and repairs on semi-finished products and additively manufactured structures. There are still a number of key issues preventing widespread implementation, particularly for SMEs. In addition to the manufacturing design, detailed information about assembly strategy and geometric adaptation of the component for modifications or repairs are missing. These include the welding-related stresses associated with the microstructural influences caused by the additive manufacturing steps, particularly in the transition area of the substrate and filler material interface. The present research focuses the effect of welding heat control during DED-Arc process on the residual stresses, especially in the transition area. Defined specimens were welded fully automatically with a high-strength solid wire (yield strength > 790 MPa) especially adapted for DED-Arc on S690QL substrate. The working temperature and heat input were systematically varied for a statistical effect analysis on the residual stress state of the hybrid manufactured components. Regarding heat control, t8/5 cooling times within the recommended processing range (approx. 5 s to 20 s) were complied. The investigation revealed a significant influence of the working temperature Ti on the compressive residual stresses in the transition area and the tensile residual stresses at the base of the substrate. High working temperatures result in lower compressive residual stresses, heat input E does not significantly affect the tensile stresses
Impact of stickout length on thermal input and material deposition in wire arc additive manufacturing of titanium
Full text linkWire Arc Additive Manufacturing (WAAM) has emerged as a viable technique for fabricating high-performance components, especially with materials like titanium. One critical parameter influencing the process efficiency and quality is the stickout length. This study investigates the impact of varying the stickout on the energy input during WAAM of titanium. By increasing the stickout length, the Joule heating effect on the wire is augmented, which potentially reduces the required arc power for achieving consistent material deposition. The research examines how adjusting the stickout length affects the thermal input to the wire and the substrate, thereby enabling optimization of the energy distribution. The results indicate that with a greater stickout, it is possible to either decrease the arc power while maintaining the deposition rate or to modulate the energy imparted to the wire and the substrate. These findings provide insights into enhancing WAAM process efficiency and tailoring thermal profiles for improved material properties