Gezielte umformtechnische Erzeugung von Eigenspannungen durch lokales Einprägen von Strukturen in Blechdickenrichtung zur Verbesserung der Bauteileigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Böhlke; Dr.-Ing. Jens Gibmeier; Professor Dr.-Ing. Mathias Liewald
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Mechanik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 374768210

Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, eine umformtechnische Prozessroute zur gezielten Einbringung von lokalen Eigenspannungen (ES) in dünnwandige Blechbauteile zu entwickeln. Durch die umformtechnisch induzierten ES soll die mechanische Beanspruchbarkeit von überwiegend dynamisch belasteten Blechstrukturbauteilen verbessert werden. Im Rahmen des Projektes wurde innerhalb der I. und II Förderperiode (FÖP) der Nachweis erbracht, dass durch die Kombination eines Umform- und Prägeprozesses gezielt Druckeigenspannungen lokal in einem dünnwandigen Blechbauteil erzeugt werden können, welche die zyklische Beanspruchbarkeit des Bauteils nachhaltig erhöhen. Ein besonderes Augenmerk dieses Forschungsvorhabens wird auf die Umformung von grob mehrphasigen Werkstoffen (Duplexstahl X2CrNiN-23-4) gelegt. Insbesondere wird hierbei der Beitrag der phasenspezifischen Mikro-ES systematisch bewertet. In diesem Zusammenhang werden einerseits im Bereich der Werkstoffanalytik Mess- und Auswertestrategien für lokale ES-Analysen entwickelt. Andererseits bietet die mechanismenbasierte Modellierung der ES I., II. und III. Art mittels numerisch effizienter Mean-Field-Ansätze die Möglichkeit zur zweiskaligen Modellierung der ES in zweiphasigen Gefügen. Die Erkenntnisse aus diesen experimentellen und numerischen Untersuchungen münden schließlich in der Entwicklung eines kombinierten Fertigungsprozesses für ein dünnwandiges Strukturbauteil, in welches durch die Kombination einer formgebenden Umformoperation und einem gleichzeitigen Prägen mit an-schließendem Reformieren gezielt Druck-ES eingebracht werden, die den vorhandenen Zugspannungen im Betrieb entgegenwirken.Ziel der FÖP III besteht darin, die in den bisherigen zwei FÖPs erarbeiteten Erkenntnisse im Hinblick auf die Erzeugung, die Analyse, die Stabilität und die Simulation von ES auf ein zyklisch beanspruchtes Realbauteil, im Speziellen auf ein abstrahiertes Trägerblech zu projizieren. Dies umfasst die ganzheitliche numerische Auslegung des Werkzeugkonzeptes und dessen fertigungstechnische Umsetzung. Die in FÖP I und II erarbeiteten Mess-, Auswerte- und Simulationsstrategien werden im Hinblick auf die möglichst exakte Erfassung der induzierten ES im Trägerblech auf allen Größenskalen (I. bis III. Art.) betrachtet. Hierbei wird in der an-stehenden Förderphase der Fokus auf die kristallographische Textur, der Berücksichtigung von Texturgradienten über die Blechdicke und auf den Einfluss der Texturentwicklung gelegt. Die im Projekt entwickelten Methoden zur Simulation und Analyse von ES werden auf allen Skalen validiert und zusätzlich innerhalb projektübergreifender Benchmarks angewandt.Das Forschungsvorhaben wird als Gemeinschaftsprojekt zwischen dem IFU, Universität Stuttgart, dem IAM-WK und dem ITM-KM des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Rahmen der Ausschreibung des Schwerpunktprogramms 2013 durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2013: Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen