TRR 30: Prozessintegrierte Herstellung funktional gradierter Strukturen auf der Grundlage thermo-mechanisch gekoppelter Phänomene
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Sonderforschungsbereichs Transregio 30 (im Folgenden SFB/TR TRR 30 genannt) war die Schaffung von Grundlagen für die Fertigung funktional gradierter Strukturen bei Stahl-, Aluminium- und Kunststoffwerkstücken in Großserienanwendungen. Ausgangspunkt hierfür waren Fertigungsprozesse auf der Basis von thermomechanisch gekoppelten Phänomenen. Als Vision sollte eine möglichst freie Kombinierbarkeit der Produktgestaltung und des Eigenschaftsprofils ermöglicht werden. Hierbei galt als Besonderheit, dass es sich ausschließlich um sogenannte Monomaterialen, also nicht um Schichtsysteme, Verbundmaterialien oder funktional mit Additiven, Füllstoffen o. ä. versehene Materialien handelt. Bei den Forschungsaktivitäten wurde die gesamte Prozesskette, von der Rohmaterialherstellung und dem Werkstoffdesign, über die Werkstoffaufbereitung, die Formgebung, bis hin zur Endbearbeitung und Nachbehandlung betrachtet. Die anschließende Untersuchung des Anwendungsverhaltens sollte dann Schlüsse zu den Einflüssen des Herstellungsprozesses ermöglichen. Die für den Erfolg des SFB/TR TRR 30 erforderliche interdisziplinare Verknüpfung der Teilprojekte fand in ausgeprägter Form statt. Die Forschungsarbeiten waren den vier Projektbereichen „Prozessgestaltung“, „Materialmodellierung/Parameteridentifikation/Experimentelle Validierung“, „Numerische Behandlung“ und „Prozessbegleitende Produktoptimierung“ zugeordnet. Anhand der Projektergebnisse ist gut zu erkennen, dass eine interdisziplinare Kooperation über die Projektbereiche hinweg erforderlich gewesen ist. Nur so konnte erfolgreich eine Beschreibung der Mikrostrukturen, deren Entstehung und den daraus resultierenden Eigenschaften sowie die gezielte Funktionalisierung, d.h. die zielgenaue Einstellung von Produkteigenschaften und deren Grenzen über die Mikrostruktur, stattfinden. Die Bildung der Arbeitsgruppen „Modellierung und Simulation“, „Produkt-Prozess-Wechselwirkung“ und „Eigenschaftscharakterisierung funktional gradierter Werkstoffe“ und die Entwicklung der Technologieträger „Flanschwelle“, „Crashbox“ und „Türinnenverkleidung“ wären ohne intensive interdisziplinare Zusammenarbeit aller Teilprojekte ebenfalls nicht möglich gewesen. Außerdem sorgten das Integrierte Graduiertenkolleg unter anderem durch Doktorandentreffen und weiterführende Fortbildungen sowie der Industriebeirat z.B. mit Kooperationen oder Gastvorträgen ebenfalls für eine ausgeprägte fachübergreifende Zusammenarbeit. Die werkstoffliche Funktionalisierung durch Erzeugung gradierter Strukturen in kurzen, automatisierbaren Prozessrouten mit thermo-mechanisch gekoppelter Prozessführung konnte reproduzierbar umgesetzt werden. Die Möglichkeiten für großserientaugliche Prozesse, Ressourceneffizienz und die Kombination von Produktgestaltung und dessen Eigenschaftsprofil konnten erforscht werden. Weiterführend konnten darauf aufbauend signifikante Erweiterungen der prozesstechnischen Möglichkeiten der lokalen, funktionalen Gradierung, der Modellierung von Prozessen und Werkstoffeigenschaften sowie der Charakterisierung der strukturellen Merkmale erfolgreich realisiert werden. Die lokal differentiellen Mikrostrukturen wurden hinsichtlich ihrer Prozess-Struktur-Eigenschafts-Wechselwirkungen untersucht, um diese gezielt einstellen zu können. Es wurden die erforderlichen Kenntnisse, etwa wie Herstellungsprozesse geführt und kombiniert werden müssen, um die Mikrostruktur der Monomaterialien gezielt beeinflussen zu können, erarbeitet. So konnte z.B. ein neues Temperierkonzept unter Berücksichtigung der Materialrheologie bei thermoplastischen Verbundstrukturen entwickelt werden. Weiter konnten in einem Extrusions- und Reckprozess gezielte Anisotropien bei amorphen Thermoplasten erzeugt werden. Die zugehörige Modellierung erfolgte durch Teilprojekt-Kooperationen. Ein weiteres Beispiel für die erfolgreiche Zusammenarbeit von Fachgebieten war die Umsetzung der Kopplung von Vorwärmung, Transfer und Umformen wellenförmiger Stahl-Bauteile. Dabei wurden die Thermoschockvorgänge im Umformwerkzeug beschrieben, thermische Schichten integriert und Abkühlprozesse während des Transfers betrachtet. Des Weiteren ist die gezeigte Machbarkeit und Simulation der Kombination aus Strangpressen und elektromagnetischer Umformung gelungen. Außerdem sind auch noch die einstufige Herstellbarkeit von Funktionselementen mittels Reibdrücken, die Integration des Verfahrens in die Gesamtprozesskette und die Entwicklung von Kombinationswerkzeugen zur Integration von Dreh- und Umformprozessen zu nennen. Die angestrebte Herstellung gradierter Bauteileigenschaften durch großserientaugliche Verarbeitungsprozesse ließ die Robustheit von Methoden, Prozessen und den gradierten Strukturen selbst in den Fokus geraten. Es wurde eine eigene Definition für den Begriff der Robustheit erarbeitet, um klare Aussagen über angewendete Methoden und Prozesse treffen zu können. Die Beschreibung der Eigenschaften und der Prozesse wurde schließlich durch die Kopplung sogenannter „empirischer“ und „physikalischer“ Modelle erreicht.
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