Experimentelle sowie numerische Modellierung und Analyse mikrostruktureller Eigenspannungen von warmmassivumgeformten Bauteilen mit gezielter Abkühlung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens; Dr.-Ing. Dominik Brands; Professor Dr.-Ing. Jörg Schröder
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530125423

In umgeformten metallischen Bauteilen stand bisher die Vermeidung oder Minimierung von Eigenspannungen im Vordergrund, um die Lebensdauer und Herstellbarkeit zu verbessern. Eine gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen zur Steigerung z.B. der Betriebsfestigkeit wurde dagegen kaum betrachtet. Zur Verbesserung der Bauteileigenschaften liegt der Fokus dieses Projektes auf der Analyse und gezielten Modifikation der Eigenspannungen in warmmassivumgeformten Bauteilen. Der Kernaspekt ist dabei die numerische und experimentelle Betrachtung der entsprechend angepassten Prozessführung, um die Einflüsse verschiedener Prozessparameter auf die Verteilung und Stabilität der Eigenspannungen zu erfassen. In einer gemeinsamen vierjährigen Forschungsarbeit wurden umfassende Charakterisierungen der thermischen, metallurgischen und mechanischen Materialeigenschaften durchgeführt. Mittels experimentellen und numerischen Analysen wurden die Evolution und Verteilung von Eigenspannungen untersucht sowie ihre Klassifizierung nach 1., 2. und 3. Art insbesondere durch mehrskalige Simulationsmodelle vorgenommen. Dabei wurden eine gezielte Steuerung der Umformparameter und eine aktive Temperaturführung integriert. Die Verzahnung von Experiment und Simulation ermöglichte eine Kalibrierung und Validierung der Modelle. So konnte bereits die Auslegung eines experimentellen Demonstratorprozesses zur Einstellung von vorteilhaften oberflächennahen Druckeigenspannungen realisiert werden. Darauf aufbauend werden nun die Gestaltung, Auslegung und Optimierung des industrienahen Herstellungsprozesses einer Welle als hochbelastetes Schmiedebauteil vorgenommen. Die entwickelten Simulationsmodelle werden auf weitere Prozessbereiche ausgeweitet und um einen Berechnungsansatz zur Lebensdauervorhersage erweitert. Dabei kommt eine makroskopische, phänomenologische Beschreibung im Rahmen der Finite Elemente (FE) Methode unter Berücksichtigung der thermo-mechanisch-metallurgischen Eigenschaften für die Abbildung der Eigenspannungen 1. Art zum Einsatz. Zur Modellierung der mikrostrukturellen Eigenspannungen (2. und 3. Art) und der Gefügeevolution werden mehrskalige FE-Simulationen und Phasenfeld Modelle eingesetzt. Im Zuge der numerischen Prozessauslegung wird eine Maximierung der Lebensdauer der Welle durch eine maßgeschneiderte Eigenspannungsverteilung angestrebt. Anschließend werden die optimierte Prozesskette experimentell realisiert und die eigenschaftsverbessernden Wirkmechanismen der Eigenspannungen im Bauteil aus dem optimierten Prozess einem konventionellen Referenzprozess im Dauerbetrieb gegenübergestellt. Somit werden Simulationsmodelle auf verschiedenen Skalen zur effizienten Auslegung von Warmumformprozessketten für die Einstellung vorteilhafter Eigenspannungsverteilungen sowie ein vom Eigenspannungszustand abhängiges Lebensdauerprognosemodell entwickelt, um die Eigenspannungen gezielt für eine Eigenschaftsverbesserung der Bauteile zu nutzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen