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  • A 236: AVIF Forschung
    Mathematische Beschreibung des Formänderungsvermögens Einbindung der Belastungsgrenzkurve in FEM Programme Zum Aufbau der Belastungsgrenzkurve sind für die Schadensvorhersage geeignete Einflussgrößen zu identifizieren die auf den Koordinatenachsen des kartesischen Koordinatensystems aufzutragen sind Zur Ermittlung dieser Einflussgrößen die das Erreichen des Formänderungsvermögens und damit die Schadensintiierung wesentlich beeinflussen eignet sich die Durchführung einer Nutzwertanalyse Das Ergebnis der Nutzwertanalyse sind Wertigkeiten für die bewerteten Einflussgrößen Die Wertigkeit ist ein Maßstab für den Einfluss einer Einflussgröße auf die Schadensinitiierung Je größer die Wertigkeit der Einflussgröße ist desto größer ist auch deren Einfluss auf die Schadensinitiierung Im Rahmen der Nutzwertanalyse wurde festgestellt dass die mittlere Normalspannung und der Vergleichsumformgrad einen großen Einfluss auf die Poreninitiierung und damit auf das Erreichen des Formänderungsvermögens haben Beide plastomechanischen Kenngrößen sind folglich beim Aufbau der Belastungsgrenzkurve zu berücksichtigen Durch rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen konnte für den Einsatzstahl 16MnCr5 GKZ gezeigt werden dass die Poreninitiierung an großflächigen Mangansulfid Einschlüssen erfolgt Diese Poreninitiierung basiert auf Dekohäsionseffekten und ist auf die unterschiedlichen elastischen und plastischen Eigenschaften der umgebenden Matrix und der Mangansulfid Einschlüsse zurückzuführen Zur Gewährleistung einer einheitlichen Größenordnung wurde zum Aufbau der Belastungsgrenzkurve die mittlere Normalspannung auf die Vergleichsspannung normiert Durch das Verbinden der simulativ bestimmten normierten mittleren Normalspannung und Vergleichsspannung am Schadensort zum Schadenszeitpunkt wurde die Belastungsgrenzkurve aufgebaut Somit konnte das Formänderungsvermögen des untersuchten Einsatzstahls mathematisch beschrieben werden Grundlage für die Belastungsgrenzkurve waren die zuvor durchgeführten einstufigen Analogieversuche Die Anwendbarkeit der Belastungsgrenzkurve konnte im Rahmen weiterer einstufiger Analogieversuche und mehrstufiger Realversuche belegt werden Zur Gewährleistung einer späteren industriellen Anwendung wurde die Belastungsgrenzkurve in MATLAB programmiert Damit die Belastungsgrenzkurve nach Projektabschluss lizenzfrei für die kaltmassivumformenden Unternehmen zur Verfügung steht wurde der MATLAB Quellcode in eine von MATLAB unabhängig ausführbare Standalone Applikation konvertiert Die Belastungsgrenzkurve wurde exemplarisch in das FEM Programm DEFORM 2D eingebunden Zur Einbindung in weitere FEM Programme wurde zusätzlich das Programm

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  • A 239: AVIF Forschung
    zyklische betriebsnahe Versuche bildeten das Verformungs und Schädigungsverhalten nach und dienten als Referenz für die anschließende Simulation des Materialverhaltens unter Verwendung der FEM auf Basis eines konstituiven Werkstoffmodells Die Anpassung des konstituiven Materialmodells an den untersuchten 2 Cr Stahl konnte erfolgreich durchgeführt werden Ähnlich gute Anpassungen konnten in vorangegangenen Arbeiten für den 10 Cr Sthl erzielt werden was die gute Übertragbarkeit des Modells auf unterschiedliche Werkstoffe zeigt Betriebsnahe thermomechanische Versuche mit Kalt Warm und Heißstartzyklen wurden mit längeren Laufzeiten von rd 3000 h durchgeführt Entsprechende Versuche an biaxial belasteten Kreuzproben lieferten Daten zur Validierung der Modelle Eine speziell entwickelte Lamellenprobe ermöglichte die Nachbildung der nehraxialen Beanspruchung mit verringerten Unterschieden zwischen Krafteinleitung und Prüfzone Für betriebsnahe Versuche und Versuche mit teilweise vereinfachtem Verlauf ließ sich die Lebensdauer auch mit herkömmlichen phänomenologischen Berechnungssätzen ermitteln Für die Anfahrvarianten gilt je höher die Temperatur im Variationsbereich desto geringer der Betrag der Spannung und somit die akkumulierte Kriechschädigung in dieser Zyklusphase Bei dem untersuchten Werkstoff überwiegt der Einfluss der verminderten Spannungen gegenüber der durch höhere Temperaturen gesteigerten Kriechgeschwindigkeit Daraus resultiert eine durchweg um 20 höhere Anrisswechselzahl Mit dem einfachen phänomenologischen Ansatz aus Miner Regel und modifizierter Lebensdaueranteilregel ließen sich die Versuchsergebnisse mit hinreichender Genauigkeit abbilden wie die Gegenüberstellung von experimentell ermittelter und berechneter Anrisswechselzahl zeigte Voraussetzung für die Anwendbarkeit dieser Methode war ein qualitativ hochwertiger Datenbestand an Dehnwechsel und Kriechversuchen für die Abschätzung der Ermüdungsschädigung und der akkumulierten Kriechschädigung in hinreichendem Umfang Die alternativ eingesetzte Bewertung der Versuchsergebnisse mithilft der spezifischen Formänderungsenergie spiegelt die Versuchsergebnisse ohne dass ein Zugriff auf zusätzliche Versuchsdaten notwendig war wider Die ausgeführten Arbeiten decken den seitens der Industrie erhöhten Bedarf an Kenntnissen über das Verhalten des untersuchten Werkstoffs während Anfahrprozess und Betrieb von Dampfturbinen Der Versuchsdatenbestand für den Werkstoff 23CrMoNiWV8 8 ist im Hinblick auf das Kriechermüdungsverhalten erheblich erweitert worden

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  • A 241: AVIF Forschung
    als auch hinsichtlich der zyklischen Lasten zur Vermeidung von Ermüdungsrissen bemessen werden Um mehr Klarheit über die zu erwartenden Lastkollektive zu bekommen wurden in dem Vorhaben Messungen an den Laschketten eines Trailers auf einem Fährschiff vorgenommen Die ermittelten Kräfte wurden mit Berechnungen auf Basis eines Mehrkörper Systems sowie eines Finite Elemente Modells verglichen und auf die gesamte Betriebszeit extrapoliert Herkömmliche Unterbauten in Form von Schlingen und Stützblechen wurden in mehreren Varianten am Beispiel von Containerfundamenten rechnerisch untersucht Es zeigte sich dass der Wegfall einzelner Unterstützungen generell zu Spannungsspitzen führt welche eine Begrenzung der Belastung erfordern In weiteren Untersuchungen wurden Konstruktionen betrachtet bei denen der Unterbau alleine aus einer weiteren Decksplatte besteht Dieses wird von der Werftindustrie als eine günstige Alternative zum Beispiel bei begrenzten Laschkräften angesehen Unterbauten in Form einer dickeren Platte wurden im Vorhaben mit Schwing und Betriebsfestigkeitsversuchen untersucht Als Bauteile wurden ein Laschauge ein Containerfundament und ein Laschtopf ausgewählt welche eine linienförmige rechteckige und kreisförmige Krafteinleitung in die Platte repräsentieren Die hier auftretenden Spannungsspitzen wurden mit Hilfe der Strukturspannung am Nahtübergang hinsichtlich der Schwingfestigkeit bewertet Mit dieser kann auch die Maximalbeanspruchung hinsichtlich plastischer Verformungen bewertet werden wobei entsprechende Grenzwerte in den Vorschriften noch festzulegen sind Die Ergebnisse des

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  • A 242: AVIF Forschung
    Anwendbarkeit und Zuverlässigkeit eines vorhandenen Materialmodells vom Typ Chaboche um die oben genannten zwei wesentlichen Aspekte erweitert Die entwickelte Extrapolationsmethode für innere Variablen des Materialmodells lässt sich in die gängigen Finite Elemente Programme wie ABAQUS und ANSYS vorteilhaft integrieren und verringert den Rechenaufwand für die Bauteilberechnung unter zyklischen Beanspruchungen deutlich Eine reproduzierbare Vorgehensweise zur Parameteridentifizierung auf Basis künstlicher neuronaler Netze wurde entwickelt und deren Anwendbarkeit auf unterschiedlicher Datenbasis bewertet Zur Validierung des Materialmodells wurden mehraxiale Kriechermüdungsexperimente am Turbinenwellenstahl X12CrMoWVNbN 10 1 1 an Kerb und Kreuzproben mit Laufzeiten von rd 8000 h durchgeführt Zusätzlich konnten Daten aus Validierungsexperimenten anderer Arbeiten herangezogen werden Neben ein und dreistufigen Experimenten liegen zur Validierung auch Daten aus Versuchen mit veränderlichem Temperaturverlauf vor Bei der für die Bestimmung der Materialparameter zugrunde liegenden Datenbasis handelt es sich um Ermüdungs und Kriechdaten im Temperaturbereich von 300 bis 600 C Die auf dieser Basis bestimmten Materialparameter Route 1 führen zu einer Nachrechnung der Validierungsversuche in einem Streuband vom Faktor 2 Dagegen ergab sich bei der Nachrechnung zweier Kerbfälle mit komplexer dreistufiger Beanspruchung ein relativ konservatives Vorhersageergebnis Dies wird auf das ausgeprägte Relaxationsverhalten sowie den nur für einaxiale Beanspruchung zugrunde gelegten Schädigungsgrenzwert zurückgeführt Alternativ wurde in dieser Arbeit die Parameterbestimmung auf Basis eines Datensatzes abgekürzter Versuche vorgenommen Dabei handelt es sich um spezielle Experimente mit gestuften Abläufen in Kraft bzw Dehnungsregelung Letztere wiesen zur Überlagerung von Ermüden und Kriechen eine längere Haltezeit auf Dieser als Route 2 bezeichnete Weg führte zu einer Vorhersage der Anrisswechselzahl beschränkt auf isotherme Kriechermüdungsbeanspruchung auf die sichere Seite gegenüber Experimenten und Vorhersage gemäß Route 1 Folgende Ergebnisse wurden erzielt Die Berechnung der Verformung und der Anrisslebensdauer lässt sich mit der entwickel ten Extrapolationsmethode deutlich beschleunigen größer eine Zehnerpotenz Zur Parameteridentifizierung wurde eine rechnergestützte Routine entwickelt die die Vielzahl der Parameter für Verformung und Schädigung

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  • A 243: AVIF Forschung
    Die Folgen sind meist gravierend und führen in der Regel zum kompletten Ausfall der betroffenen Getriebestufe wobei der Ausfall im Allgemeinen plötzlich und unerwartet auftritt Der erwartete Ausgangsort einer Schädigung wird einerseits maßgebend durch die Verzahnungsgeometrie und hierbei in erster Linie durch den örtlichen Ersatzkrümmungsradius beeinflusst Andererseits spielt die durch die Wärmebehandlung resultierende lokale Beanspruchbarkeit des Werkstoffes die unter anderem durch die Parameter Oberflächen und Kernhärte sowie Einsatzhärtungstiefe und Eigenspannungszustand beeinflusst wird eine wichtige Rolle Ziel des Forschungsvorhabens war es eine erweiterte ganzheitliche Berechnungsgrundlage zur Zahnflankentragfähigkeit unter besonderer Berücksichtigung von Beanspruchungszustand Werkstofffestigkeit und Schadensart von der Oberfläche bis in größere Werkstofftiefen zu erarbeiten Diese erweiterte theoretische Betrachtung auf Basis des örtlichen Konzepts ermöglicht die Feststellung versagenskritischer Werkstoffbereiche im gesamten Zahnvolumen und bietet damit die Möglichkeit Beanspruchungs und Festigkeitsprofil über der Werkstofftiefe in optimierter Weise aufeinander abzustimmen Hierbei sollen die experimentellen Untersuchungen die getroffenen theoretischen Überlegungen stützen und fundierte Festigkeitskennwerte liefern Ausgehend von den theoretischen und experimentellen Untersuchungen sollte weiterhin ein praxisorientierter Beurteilungsansatz abgeleitet werden mit dem basierend auf wenigen Eingabeparametern bereits in der Getriebeauslegungsphase eine erste Abschätzung der Gefährdung einer Zahnradstufe hinsichtlich der Schadensart Flankenbruch getroffen werden kann Im Rahmen von umfangreichen systematischen experimentellen Untersuchungen wurde die Tragfähigkeit hinsichtlich der Schadensart Flankenbruch an Prüfverzahnungen aus 20MnCr5 und 18CrNiMo7 6 ermittelt Aus den Ergebnissen konnten werkstoffspezifische Wöhlerdiagramme mit einem Zeit und einem Dauerfestigkeitsbereich abgeleitet werden Grundlegende Untersuchungen zum Einfluss von Überlasten zeigten dass auch bei der Schadensart Flankenbruch eine Art Schadenslinie vorliegt bei deren Überschreitung es zu einer Minderung der Dauerfestigkeit kommen kann Ergänzende Untersuchungen zum Einfluss des Eingriffswinkels der Einsatzhärtungstiefe und der Verzahnungsgeometrie lieferten weitere Erkenntnisse hinsichtlich der Schadensart Flankenbruch Im Rahmen der theoretischen Arbeiten wurde eine höherwertige Beurteilungsmöglichkeit für Schäden an und insbesondere unterhalb der Bauteiloberfläche nach dem FZG Modell für Stirnradflankenbruch vorgestellt und erweitert Ausgehend von diesen Modellvorstellungen

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  • A 244: AVIF Forschung
    nicht kugelgestrahlte Tellerfeder den kleinsten Vorspannkraftverlust auf Eine Verbesserung des Langzeitverhaltens der Tellerfedern unter statischer Last kann durch eine niedrigere Werkstofffestigkeit bzw Härte erzielt werden Der Vorspannkraftverlust bei 80 C und 120 C ist für die Tellerfedern mit 2 mm und 3 mm Wanddicke für die niedrigste 42 HRC und mittlere 47 HRC Härteklasse annähernd gleich Für alle anderen Varianten nimmt die Verminderung der Federvorspannkraft mit steigender Temperatur annähernd linear zu Alle untersuchten Tellerfedervarianten zeigen einen hohen Vorspannkraftverlust bei Temperaturen von 200 C was für die Funktionssicherheit der Tellerfedern unter Umständen kritisch sein kann Die Relaxationsergebnisse für den austenitischen Federstahl X7CrNiAl17 7 bestätigen wiederum dass die kugelgestrahlten Tellerfedern einen höheren Vorspannkraftverlust in dem Fall zwischen 1 und 5 als die nicht gestrahlten Federn verzeichnen Untersucht wurde die Relaxation bei Raumtemperatur bei 200 250 und 300 C Es zeigte sich dass mit zunehmender Temperatur die Relaxation bei den Federn der mittleren Wanddicke 2 mm fast linear bei den dicksten Federn 3 mm leicht progressiv und bei den dünnsten Federn 1 25 mm stark progressiv ansteigt Für beide Werkstoffe 51CrV4 und X7CrNiAl17 7 ist die Relaxation bei Raumtemperatur vernachlässigbar klein Selbst bei der höchsten Belastungsstufe bleibt der Vorspannkraftverlust nach 1 000 h unter 3 Die Relaxationsergebnisse der Tellerfedern des Werkstoffes X22CrMoV12 1 zeigen dass alle drei Tellerfederabmessungen 3 2 und 1 5 mm Wanddicke fast gleich viel an Vorspannkraft verlieren was gleiches zeitabhängigen Verhalten vorausgesetzt auf eine annähernd gleiche Beanspruchung in den Tellerfedern deutet Der Temperatureinfluss geprüft wurde bei 200 250 und 300 C auf die Relaxation ist bei den Tellerfedern der mittleren und kleinsten Dicke sowie teilweise bei denen mit der größten Wanddicke recht gering Hier liegen die Relaxationskurven für die unterschiedlichen Temperaturniveaus mit zum Teil weniger als 1 Unterschied dicht beieinander Die Versuche an den Tellerfedern aus der Nickel Basis Legierung Inconel 718 wurden bei 300 500 600 und 650 C durchgeführt Für alle Versuchsvarianten 3 2 und 1 25 mm Wanddicke ist die Relaxation bei 300 C mit einem Maximalwert von etwa 1 5 nach 1000 h Auslagerungsdauer vernachlässigbar klein Auch bei 500 C ist der Vorspankraftverlust noch sehr gering und erreicht nach 1 000 h Belastungsdauer Maximalwerte von 5 Alle drei Versuchsreihen zeigen in etwa das gleiche Relaxationsverhalten bei Temperaturen von 300 und 500 C Bei 600 und 650 C relaxieren die Tellerfedern mit 3 mm Wanddicke am wenigsten von allen geprüften Federgeometrien und die Relaxation bleibt bei allen Belastungsstufen in etwa konstant Auslagerungstemperaturen von 600 und 650 C sind für die Federn der mittleren und kleinsten Wanddicke besonders kritisch Für alle untersuchten Tellerfederwerkstoffe und abmessungen gilt dass mit steigender Temperatur Zeitdauer und Belastungshöhe die Relaxation zunimmt Die für die numerische Simulation der Tellerfederrelaxation benötigten Werkstoffkennwerte zur Materialmodellierung wurden aus Zugversuchen Warmzugversuchen und zeitabhängigen Versuchen ermittelt Begleitend zu den Versuchen wurden Finite Elemente Modelle zur Berechnung der Tellerfe derrelaxation unter Berücksichtigung der fertigungsbedingten Eigenspannungen entwickelt Die Verifikation der Simulationsergebnisse für den Vorsetzvorgang erfolget anhand von Eigenspan nungen und anhand von Federkräften bei der entsprechenden Einfederung Zusammenfassend kann festgestellt

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  • A 245: AVIF Forschung
    steigender Zugfestigkeit zu wobei der Einfluss der Zugfestigkeit dominierte Bei bauteilrelevanten Kerben mit Kt 2 veränderte sich die Richtungsabhängigkeit nicht Ergänzende Versuche mit Fasern unter 450 zur Belastungsrichtung legen einen linearen Zusammenhang zwischen Faserrichtung und Schwingfestigkeit nahe Im Gegensatz zur Schwingfestigkeit waren das zyklische Spannungs Dehnungsverhalten und die statische Streckgrenze und Zugfestigkeit unabhängig von der Faserrichtung Generell nahm die Schwingfestigkeit mit zunehmendem Schwefel bzw Fasergehalt und abnehmender Härte d h Zugfestigkeit ab Die für das Walzmaterial abgeleiteten funktionalen Zusammenhänge konnten jedoch nur bedingt auf reale Gefüge übertragen werden Versuche an Proben die aus Achsschenkeln entnommen wurden zeigten dass die Schwingfestigkeit auf Basis des Walzmaterials nur mit relativ großen Abweichungen von 14 20 abgeschätzt werden konnte Für die zyklische Dehngrenze waren die abgeleiteten Zusammenhänge hinreichend genau Da Bauteile im realen Betrieb Belastungen mit variablen Amplituden ausgesetzt sind wurden im Rahmen des Vorhabens zusätzlich Gaßnerversuche durchgeführt Hierfür wurde eine für einen Achsschenkel abgeleitete Lastfolge verwendet Im konkreten Fall bildeten sich die unter konstanten Amplituden festgestellten Unterschiede bei Längs und Querbeanspruchung auch unter variablen Amplituden ab An gekerbten Proben mit Kt 1 9 konnte gezeigt werden dass ein kontinuierlicher der Bauteilgeometrie folgender Faserverlauf im konkreten Fall keine Schwingfestigkeitsvorteile gegenüber einem angeschnittenen Faserverlauf bringt der bei mechanischen Nachbearbeitung eines Bauteils entsteht Mit dem durchgeführten Projekt wurden Erkenntnisse zum Einfluss des Faserverlaufs auf die Schwingfestigkeit gewonnen die in der Praxis für eine zuverlässigere und werkstoffgerechtere Bewertung von Schmiedebauteilen genutzt werden können Insbesondere durch den Vergleich mit Ergebnissen aus der Literatur kann auf Grundlage der Untersuchung auch für andere Schmiedestähle die Richtungsabhängigkeit der Schwingfestigkeit auf Basis der Zugfestigkeit des Schwefelgehalts sowie gegebenenfalls der Richtungsabhängigkeit der Duktilitätskennwerte A5 und Z abgeschätzt werden Mit vergleichenden Versuchen an den Vergütungsstählen 30MnB5 und 33MnCrB5 konnte des Weiteren gezeigt werden dass der AFP Stahl hinsichtlich seines Verhaltens bei zyklischer Beanspruchung gegenüber

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  • A 248: AVIF Forschung
    der werftseitigen Bedingungen für das Schweißen der Montagestöße der Außenhaut dass die An wendung des Elektrogasschweißverfahrens bei langen Sektionsstößen in der steigenden Posi tion im Schiffbau eingesetzt werden kann Durch die Ermittlung der schweißtechnologischen Basisparameter an geeigneten Proben geometrien stellte sich heraus dass die mechanisch technologischen Eigenschaften wie Härte und Festigkeit der Elektrogasschweißungen den Richtlinien des Germanischen Lloyd erfüllen Durch die hohen Streckenenergien konnten die Zähigkeiten zunächst nur zum Teil eingehalten werden Um eine Zähigkeitssteigerung zu erreichen wurden Optimierungsuntersuchungen mittels Schweißzusatzwerkstoffkombinationen durchgeführt Die Kerbschlagzähigkeit erhöhte sich nach der Optimierung auf mindestens 50 J als Minimum im kritischen Bereich der Schmelzlinie und erfüllt somit die Anforderungen des GL Des Weiteren sind Elektrogasschweißungen mit nur einem Kupfergleitschuh und einer Keramikbadsicherung als Wurzelschutz gefügt worden Der Vorteil liegt in der nur einseitigen Zugänglichkeit an einem Sektionsstoß Die Kerbschlagzähigkeit wird dadurch nicht herabgesetzt und liegt mit 50 J Schmelzlinie bei einer Blechdicke von s 13 mm und 160 J Schmelzlinie über den geforderten 34 J des GL Die Härteverläufe und die Festigkeiten halten die Richtlinien des Germanischen Lloyd ein Weitere Elektrogasschweißungen mit einem breiteren Luftspalt von b 10 mm zeigten keine Verschlechterung der mechanisch technologischen Gütewerte durch die höhere Energieeinbringung durch das größere Schweißnahtvolumen Eine Schutzgasvariation von 100 CO2 18 CO2 und Rest Argon Corgon18 und Gemischen aus CO2 Helium und Argon erbrachten keine Zähigkeitssteigerung Aber eine Stabilisierung des Lichtbogens durch das Helium war zu erkennen Des Weiteren sind von der TU Hamburg Harburg Schwingfestigkeitsuntersuchungen durchgeführt worden Dabei haben Elektrogas Schweißproben in den Blechstärken s 13 mm und s 30 mm mit dem Zu satzwerkstoff der Firma KOBELCO DW S43G die FAT80 Klassen erreichen können Weitere Verbesserungen an den Kerbschlagarbeiten konnten durch Modifikation des Verfahrens zur weiteren Absenkung der Streckenenergien erreicht werden Dabei ließen sich durch Einsatz der Impulslichtbogentechnik und Verringerung des Drahtelektrodendurchmessers Verbesserungen

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