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GRK 1483:  Process Chains in Production: Interaction, Modelling and Assessment of Process Zones

Subject Area Materials Engineering
Mechanics and Constructive Mechanical Engineering
Production Technology
Term from 2008 to 2017
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 49352853
 
Final Report Year 2018

Final Report Abstract

Das Graduiertenkolleg 1483 ist im interdisziplinären Forschungs- und Entwicklungsfeld ,,Computational Engineering – Werkstoffwissenschaft – Produktionstechnik’’ angesiedelt. Das Leitthema war die Prozesskette vom Halbzeug zum Bauteil, deren ganzheitliche Betrachtung und prozessübergreifende simulatorische Abbildung. Das gemeinsame Ziel wurde in zwei Bereichen verfolgt, die sich einerseits mit der Fertigung von Blechbauteilen (A-Bereich) und andererseits mit der Fertigung von Massivbauteilen (B-Bereich) befassten. Im A-Bereich wurden durch interdisziplinäre Kooperationen Methoden der Prozesskettensimulation weiterentwickelt und für ausgewählte Werkstoffe wichtige Erkenntnisse für die Herstellung von Blechbauteilen erarbeitet. Die Prozessmodellierung wurde mithilfe dynamischer Programmierung für eine prozessketten-optimale Regelung genutzt. Damit liegt ein Methodenfortschritt vor, der für die Optimierung realer Prozessketten genutzt werden kann. Grundlegende Prozesse der Gefügeumwandlung während der Wärmebehandlung und ihre Auswirkungen auf das makroskopische mechanische Verhalten wurden im Rahmen einer in-situ Charakterisierung erfasst und zur Verbesserung bestehender Modelle genutzt. Eine skalenübergreifende Simulation der Wärmebehandlung beinhaltete den Rekristallisationsprozess sowie die martensitische Phasenumwandlung. Nicht-lineare Mean-Field-Modelle, sowie mikromechanische Kristallplastizitätsmodelle wurden unter Berücksichtigung von Versetzungsdichtedynamiken erarbeitet. Hierbei erfolgte ein experimenteller Abgleich anhand kristallographischer Texturinformationen und Eigenspannungstiefenverteilungen. Die numerische Beschreibung des thermo-mechanisch hochkomplexen Prozesses Presshärten und der lokalen Verfestigungs- und Verformungsmechanismen in Umformprozessen zeichnete sich durch eine hohe Prognosegüte aus. Durch die Zusammenarbeit zwischen Werkstofftechnik, Produktionstechnik und den computerunterstützten Materialwissenschaften konnte im B-Bereich eine umfassende Charakterisierung und Betrachtung der Prozesskette „Weichbearbeitung – Randschichtwärmebehandlung – Hartbearbeitung“ erreicht werden. Durch die Entwicklung und Validierung von Werkstoff- und Prozessmodellen sowie der intensiven Analyse reeller Prozesse und die Übertragung der gegenseitigen Wechselwirkungen einzelner Prozessschritte konnte ein Vorhersagetool für Eigenspannungen, Mikrostrukturänderungen und damit verbundenen mechanischen Werkstoffeigenschaften im Bauteil auf Basis aufeinanderfolgender Simulationsschritte implementiert werden, das eine virtuelle Optimierung der Prozesskette erlaubt. Erweiterungen der bisher gängigen Prozesssimulation konnten im Bereich des Induktionshärtens durch multiphysikalische Modelle der induktiven Mehrfrequenzerwärmung mit Betrachtung der Phasenumwandlungen insbesondere beim induktiven Anlassen erreicht und experimentell validiert werden. Die Analyse des realen Energieverbrauchs der gesamten Prozesskette und deren einzelner Schritte untermauern hierbei die simulativen Ergebnisse. Die Kombination der erstmals mehrstufigen Zerspanungssimulation mit der computergestützten Modellierung des Einsatzhärtens unter Kopplung der Verzüge und Eigenspannungen konnte durch experimentelle Untersuchungen auf komplexe Bauteilgeometrien angewandt werden.

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