TRR 136:  Funktionsorientierte Fertigung auf der Basis charakteristischer Prozesssignaturen

• Fachliche Zuordnung: Maschinenbau und Produktionstechnik ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 223500200

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Forschungsgegenstand des SFB/TRR 136 „Funktionsorientierte Fertigung auf der Basis charakteristischer Prozesssignaturen“ war die mechanismenorientierte Analyse der Zusammenhänge zwischen Fertigungsprozessen und den von ihnen verursachten Werkstoffmodifikationen in der Werkstückrandzone. Als Grundannahme stützte sich der SFB/TRR 136 auf die Hypothese, dass die während des Prozesses herrschende Beanspruchung im Werkstoff für dessen Reaktion in Form einer Modifikation verantwortlich ist. Diese mechanismenorientierte Betrachtungsweise ermöglichte es exemplarisch Fertigungsprozesse und Prozessketten im Hinblick auf die gewünschten Randzoneneigenschaften des Werkstücks wissensbasiert gezielt auszuwählen und einzustellen (Lösung des inversen Problems der Fertigungstechnik). Als Kern der neuen Betrachtungsweise führte der SFB/TRR 136 als entscheidende Erkenntnis Prozesssignaturen ein, die den Zusammenhang zwischen Werkstoffbeanspruchung und -modifikation darstellen. Die Forschungsarbeiten demonstrieren für eine breite Palette von Fertigungsprozessen das Potenzial der Prozesssignaturen. Dabei wurden auch die bei anwendungsnah geführten Fertigungsprozessen zumeist auftretenden, wiederkehrenden Beanspruchungen des Werkstoffs, bspw. aufgrund eines erneuten Werkzeugkontakts, berücksichtigt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass ein veränderter Werkstoffzustand in der Randzone aufgrund von Mehrfachbeanspruchungen durch einen vorherigen Prozessschritt oder einen vorgelagerten Prozess die stattfindenden Mechanismen und die sich einstellenden Werkstoffmodifikationen signifikant beeinflussen kann und dies für eine vorteilhafte Prozess(ketten)auslegung nutzbar ist. Eine Weiterentwicklung des Prozesssignatur-Ansatzes wird in einer funktionsorientierten Fertigung gesehen. Dies meint die gezielte Auswahl und Einstellung von Fertigungsprozessen und deren Verkettung auf Basis vorgegebener Funktionseigenschaften eines Bauteils. Hierzu sind weitere Forschungsanstrengungen erforderlich, die u.a. im Transferbereich des SFB/TRR 136 angegangen werden sollen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Process Signatures – A New Approach to Solve the Inverse Surface Integrity Problem in Machining Processes. Procedia CIRP, 13, 429-434.
  Brinksmeier, Ekkard; Klocke, Fritz; Lucca, Don A.; Sölter, Jens & Meyer, Daniel
  
• Interdisciplinary modelling of the electrochemical machining process for engine blades. CIRP Annals, 64(1), 217-220.
  Klocke, F.; Zeis, M. & Klink, A.
  
• Modeling nanostructural surface modifications in metal cutting by an approach of thermodynamic irreversibility: Derivation and experimental validation. Continuum Mechanics and Thermodynamics, 29(1), 271-289.
  Buchkremer, S. & Klocke, F.
  
• Steel integrated thin film sensors for characterizing grinding processes. Sensors and Actuators A: Physical, 242, 203-209.
  Dumstorff, Gerrit; Sarma, Mridusmita; Reimers, Marcel; Kolkwitz, Benjamin; Brinksmeier, Ekkard; Heinzel, Carsten & Lang, Walter
  
• Two-scale FE–FFT-and phase-field-based computational modeling of bulk microstructural evolution and macroscopic material behavior. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 305, 89-110.
  Kochmann, Julian; Wulfinghoff, Stephan; Reese, Stefanie; Mianroodi, Jaber Rezaei & Svendsen, Bob
  
• Compilation of a thermodynamics based process signature for the formation of residual surface stresses in metal cutting. Wear, 376-377, 1156-1163.
  Buchkremer, S. & Klocke, F.
  
• Efficient and accurate two-scale FE-FFT-based prediction of the effective material behavior of elasto-viscoplastic polycrystals. Computational Mechanics, 61(6), 751-764.
  Kochmann, Julian; Wulfinghoff, Stephan; Ehle, Lisa; Mayer, Joachim; Svendsen, Bob & Reese, Stefanie
  
• Surface integrity in precision turning of steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 94(1–4), 763–771.
  Willert, Melanie; Riemer, Oltmann & Brinksmeier, Ekkard
  
• Correlations between Thermal Loads during Grind-Hardening and Material Modifications Using the Concept of Process Signatures. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2(1), 20.
  Kolkwitz, Benjamin; Kohls, Ewald; Heinzel, Carsten & Brinksmeier, Ekkard
  
• Development of a Process Signature for Manufacturing Processes with Thermal Loads. Metallurgical and Materials Transactions A, 49(8), 3419-3429.
  Frerichs, Friedhelm; Meyer, Heiner; Strunk, Rebecca; Kolkwitz, Benjamin & Epp, Jeremy
  
• Fluid structure interaction of thin graphite electrodes during flushing movements in sinking electrical discharge machining. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 20, 23-28.
  Klocke, F.; Zeis, M. & Heidemanns, L.
  
• In Situ X-ray Diffraction Analysis of Stresses during Deep Rolling of Steel. Quantum Beam Science, 2(4), 20.
  Meyer, Heiner & Epp, Jérémy
  
• Mechanisms and processing limits of surface finish using laser-thermochemical polishing. CIRP Annals, 67(1), 201-204.
  Eckert, Sandro & Vollertsen, Frank
  
• Precise In-Process Strain Measurements for the Investigation of Surface Modification Mechanisms. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2(1), 9.
  Tausendfreund, Andreas; Stöbener, Dirk & Fischer, Andreas
  
• Process Signatures -The Missing Link to Predict Surface Integrity in Machining. Procedia CIRP, 71, 3-10.
  Brinksmeier, E.; Meyer, D.; Heinzel, C.; Lübben, T.; Sölter, J.; Langenhorst, L.; Frerichs, F.; Kämmler, J.; Kohls, E. & Kuschel, S.
  
• Underlying Mechanisms for Developing Process Signatures in Manufacturing. Nanomanufacturing and Metrology, 1(4), 193-208.
  Brinksmeier, E.; Reese, S.; Klink, A.; Langenhorst, L.; Lübben, T.; Meinke, M.; Meyer, D.; Riemer, O. & Sölter, J.
  
• The Right Signature for Every Process. German Research, 41(2), 26-29.
  Brinksmeier, Ekkard; Reese, Stefanie & Sölter, Jens
  
• Comparison of Different Manufacturing Processes of AISI 4140 Steel with Regard to Surface Modification and Its Influencing Depth. Metals, 10(7), 895.
  Borchers, Florian; Clausen, Brigitte; Eckert, Sandro; Ehle, Lisa; Epp, Jeremy; Harst, Simon; Hettig, Matthias; Klink, Andreas; Kohls, Ewald; Meyer, Heiner; Meurer, Markus; Rommes, Bob; Schneider, Sebastian & Strunk, Rebecca
  
• Development of a process signature for electrochemical machining. CIRP Annals, 69(1), 153-156.
  Bergs, Thomas & Harst, Simon
  
• Development of surface residual stress and surface state of 42CrMo4 in multistage grinding. Procedia CIRP, 87, 198-203.
  Borchers, Florian; Meyer, Heiner; Heinzel, Carsten; Meyer, Daniel & Epp, Jérémy
  
• Electron microscopic characterization of surface zones thermo-chemically modified by electrical discharge machining. Journal of Materials Processing Technology, 280, 116596.
  Ehle, L.C.; Schneider, S.; Schwedt, A.; Richter, S.; Klink, A. & Mayer, J.
  
• A novel approach for the efficient modeling of material dissolution in electrochemical machining. International Journal of Solids and Structures, 229, 111106.
  van der Velden, Tim; Rommes, Bob; Klink, Andreas; Reese, Stefanie & Waimann, Johanna
  
• An Investigation on High-Resolution Temperature Measurement in Precision Fly-Cutting. Sensors, 21(4), 1530.
  Gräbner, Daniel; Zielinski, Tjarden; Vovk, Andrey; Riemer, Oltmann; Karpuschewski, Bernhard & Lang, Walter
  
• Analysis of internal material loads and Process Signature Components in deep rolling. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 35, 400-409.
  Kinner-Becker, Tobias; Hettig, Matthias; Sölter, Jens & Meyer, Daniel
  
• Change of Oxidation Mechanisms by Laser Chemical Machined Rim Zone Modifications of 42CrMo4 Steel. Materials, 14(14), 3910.
  Schupp, Alexander; Pütz, René Daniel; Beyss, Oliver; Beste, Lucas-Hermann; Radel, Tim & Zander, Daniela
  
• Comparison of Process Signatures for thermally dominated processes. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 35, 217-235.
  Karpuschewski, B.; Lübben, Th.; Meinke, M.; Eckert, S.; Frerichs, F.; Schneider, S.; Klink, A.; Langenhorst, L. & Sölter, J.
  
• Direct particle–fluid simulation of flushing flow in electrical discharge machining. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 15(1), 328-343.
  Brito, Gadeschi Gonzalo; Schilden, Thomas; Albers, Marian; Vorspohl, Julian; Meinke, Matthias & Schröder, Wolfgang
  
• Efficient two-scale FE-FFT-based mechanical process simulation of elasto-viscoplastic polycrystals at finite strains. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 374, 113566.
  Gierden, Christian; Kochmann, Julian; Waimann, Johanna; Kinner-Becker, Tobias; Sölter, Jens; Svendsen, Bob & Reese, Stefanie
  
• Evaluation of Hardness and Residual Stress Changes of AISI 4140 Steel Due to Thermal Load during Surface Grinding. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 5(3), 73.
  Kohls, Ewald; Heinzel, Carsten & Eich, Marco
  
• In-Process Measurement of Three-Dimensional Deformations Based on Speckle Photography. Applied Sciences, 11(11), 4981.
  Tausendfreund, Andreas; Stöbener, Dirk & Fischer, Andreas
  
• Influence of multi-pass laser hardening of normalized AISI 4140 on the grain size. Surface and Coatings Technology, 421, 127434.
  Lu, Yang; Ehle, Lisa C.; Richter, Silvia & Radel, Tim
  
• Influence of Subsequently Applied Mechanical and Thermal Loads on Surfaces Ground with Mechanical Main Impact. Materials, 14(9), 2386.
  Strunk, Rebecca; Borchers, Florian; Clausen, Brigitte & Heinzel, Carsten
  
• Modelling and Simulation of Mechanical Loads and Residual Stresses in Deep Rolling at Elevated Temperature. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 5(3), 76.
  Kuschel, Sven; Kinner-Becker, Tobias; Zmich, Robert; Sölter, Jens & Meyer, Daniel
  
• Noise reduction in high-resolution speckle displacement measurements through ensemble averaging. Applied Optics, 60(7), 1871.
  Schweickhardt, León; Tausendfreund, Andreas; Stöbener, Dirk & Fischer, Andreas
  
• Numerical investigation of the influence of multiple loads on material modifications during hard milling. Procedia CIRP, 102, 500–505.
  Vovk, Andrey; Sölter, Jens & Karpuschewski, Bernhard
  
• Oxide Formation during Transpassive Material Removal of Martensitic 42CrMo4 Steel by Electrochemical Machining. Materials, 14(2), 402.
  Zander, Daniela; Schupp, Alexander; Beyss, Oliver; Rommes, Bob & Klink, Andreas
  
• The Influence of Former Process Steps on Changes in Hardness, Lattice and Micro Structure of AISI 4140 Due to Manufacturing Processes. Metals, 11(7), 1102.
  Borchers, Florian; Clausen, Brigitte; Ehle, Lisa C.; Eich, Marco; Epp, Jérémy; Frerichs, Friedhelm; Hettig, Matthias; Klink, Andreas; Kohls, Ewald; Lu, Yang; Meyer, Heiner; Rommes, Bob; Schneider, Sebastian; Strunk, Rebecca & Zielinski, Tjarden
  
• Development of a process signature for electrical discharge machining. CIRP Annals, 71(1), 177-180.
  Klink, Andreas; Schneider, Sebastian & Bergs, Thomas
  
• Process Signatures–Knowledge-based approach towards function-oriented manufacturing. Procedia CIRP, 108, 624-629.
  Karpuschewski, B.; Kinner-Becker, T.; Klink, A.; Langenhorst, L.; Mayer, J.; Meyer, D.; Radel, T.; Reese, S. & Sölter, J.