Teilprojekt C05 Fügesimulation

Die mechanische Festigkeit einer stoffschlüssigen Fügeverbindung wird durch zahlreiche physikalische und chemische Prozesse bestimmt. Kleine Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung können daher die Oberflächenbeschaffenheit erheblich verändern und damit große Folgen für den Fügeprozess haben. So kann die Anwesenheit von Oxidschichten die Diffusionsbindung zwischen den zu fügenden Materialien behindern, sodass zusätzliche Arbeitsschritte zur Erzeugung stoffschlüssiger Verbindungen nötig werden.

In Teilprojekt C05 wird der Einfluss der Oxidschichten auf die physikalischen Eigenschaften der Bindung der Fügepartner mittels Molekulardynamik (MD) grundlegend untersucht. Voraussetzung hierfür ist die Wahl geeigneter Wechselwirkungspotenziale, welche die Materialeigenschaften der Verbundpartner wiedergeben und auch die Wechselwirkung mit Oxidschichtresten realistisch beschreiben. In der ersten Förderperiode wurden geeignete Wechselwirkungspotentiale zur Modellierung des Einflusses der Oxidation auf tribologische Phänomene wie die der Nanoindentation und der Zerspanung untersucht und verifiziert. Hierbei wurde ein Wechselwirkungspotential identifiziert, das die Modellierung der Nanoindentation von Aluminium unter Variation der Oxidschichtdicken in Übereinstimmung mit Experimenten aus Teilprojekt C03 ermöglicht. Die Oxidschicht zeigte sowohl experimentell als auch simulativ einen erheblichen Einfluss auf die Defektemission im Aluminium-Substrat.

In einer gemeinsamen Studie mit den Teilprojekten C03 und A05, bei der gezeigt wurde, dass die Tribooxidation und der resultierende abrasive Verschleiß in einer silandotierten Atmosphäre unterdrückt werden, wurden tribologisch relevante Diffusionsprozesse in silandotierter Atmosphäre identifiziert. Der Einfluss von Sauerstoff an der Grenzfläche auf die Diffusionsvorgänge wurde für verschiedene metallische Verbindungen und Temperaturen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Diffusionskoeffizienten in sauerstofffreien Systemen erhöht sind, was zur Bildung von besonders hochwertigen, stoffschlüssigen Verbindungen führt. Bei vielen Fertigungsverfahren wie der Additiven Fertigung werden metallische Pulver zugegeben. Bei den im SFB betrachteten Prozessen müssen die Partikel desoxidiert werden, wobei ein intensiver Stofftransport mit häufigen Partikel-Kollisionen auftritt. In Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen aus Teilprojekt C02 wurden für desoxidierte Partikel höhere Adhäsionskräfte nachgewiesen.

Außerdem soll eine weiterführende Untersuchung der Wechselwirkung der reaktiven Gasspezies des desoxidierenden Silans, das in vielen Teilprojekten verwendet wird, mit verschiedenen Oberflächen erfolgen. Hierfür müssen die grundlegenden Reaktionsmechanismen des Silans im Modell abgebildet werden sowie Effekte wie die Eindiffusion von atomarem Wasserstoff und die Entstehung von Siliciumverbindungen an den Werkstückoberflächen berücksichtigt werden. Dabei soll die Temperatur, der Silananteil im Gas sowie der Druck variiert werden. Die zentrale Fragestellung zielt auf das Verständnis der atomaren Bindungsmechanismen beim Fügen in silandotierter Atmosphäre und die grundlegende Abhängigkeit von Desoxidationszustand und Temperatur ab. Es wird die Arbeitshypothese verfolgt, dass durch MD-Simulationen gezeigt werden kann, wie Fügeprozesse unter Ausschluss von Sauerstoff zu verbesserten Verbundeigenschaften führen.