Kriterien zum Verschließen und Verschweißen von Poren beim Freiformschmieden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard Hirt
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283878720

Aus dem Blockguss hergestellte Rohblöcke für das Freiformschmieden weisen u.a. aufgrund von Volumenschwund bei der Erstarrung Poren und Lunker auf, die im späteren Bauteil Risse unter Last einleiten und so zu kritischem Versagen führen können. Das Ziel des Freiformschmiedens ist es daher diese Poren zu schließen, so dass die Porenoberflächen in Kontakt treten und diese anschließend zu verschweißen, sodass eine stoffschlüssige Verbindung entsteht. Es existiert dabei bereits eine Vielzahl von Kriterien zur Beschreibung des Porenschließens, jedoch verbleiben bei den meisten Kriterien signifikante Abweichungen in der Vorhersage im Vergleich zu numerischen und experimentellen Untersuchungen. Das Verschweißen und insbesondere das mögliche erneute Öffnen von Poren durch die herrschenden Umformbedingungen wird in keinem bekannten Kriterium berücksichtigt.Daher war es Ziel der ersten Förderperiode ein Kriterium auszuwählen, welches den Porenschluss in Abhängigkeit verschiedener Porengeometrien und Ausrichtungen hinsichtlich der Lastrichtung beschreiben kann. Das „Cicaporo“-Kriterium erfüllt diese Bedingungen für eine konstante Belastungsrichtung, sodass dies zunächst ausgewählt und parametrisiert wurde. Weiterhin wurde es in der Art erweitert, dass es den Porenschluss auch bei wechselnden Belastungsrichtungen beschreiben kann, wie sie üblicherweise durch die Drehung des Bauteils beim Freiformschmieden vorkommen. Das Kriterium wurde in die Finite Elemente (FE) Simulation implementiert und durch Simulationen mit Repräsentativen Volumenelementen und Schmiedeversuche experimentell validiert. Weiterhin wurden Grundversuche zur Beschreibung der Verbundausbildung durchgeführt, in denen für unterschiedlichen Temperaturen, Umformungen und Oberflächenzustände die Herleitung eines Kriteriums zur Beschreibung des Verschweißens von Poren nach dem Verschließen ermöglicht wurde.Auf Grundlage dieser Erkenntnisse ist das Ziel der zweiten Förderperiode weitere Ungenauigkeiten in der Vorhersage des in der ersten Förderperiode entwickelten Kriteriums zu minimieren. Daher ist das Kriterium dahingehend zu erweitern, dass es auch den Einfluss von auftretender Scherung beim Porenschluss berücksichtigt, da Scherung u.a. an den Sattelkanten eines jeden Hubs im Material erzeugt wird. Des Weiteren gilt es auf Basis der Ergebnisse der Grundversuche der ersten Förderperiode ein Kriterium herzuleiten, welches das Verscheißen der Poren nach dem Schließen beurteilen kann. Dabei kann eine Schrankenaussage „sicher oder nicht sicher verschweißt“ oder eine komplexere Beschreibung des Zusammenhangs erfolgen, z.B. durch Angabe einer Verbundfestigkeit zwischen den sich berührenden Porenoberflächen. Die Kriterien für Porenschluss und -verschweißen sollen anschließend kombiniert in die FE Simulation implementiert und experimentell validiert werden. Ist dies erfolgt, soll auch eine Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten auf andere für das Freiformschmieden typische Werkstoffklassen erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen