Modellierung des Sinterschmiedens unter Berücksichtigung der Unsicherheitspropagation

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Lennart Hinz; Dr.-Ing. Johanna Uhe
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558606079

Die Prozesskette Pulverpressen, Sintern und Sinterschmieden ermöglicht die pulvermetallurgische Herstellung von komplexen Bauteilen mit ausgezeichneten mikrostrukturellen Eigenschaften unter hoher Werkstoffausnutzung und Präzision. Wie alle industriellen Prozesse unterliegen das Pulverpressen, Sintern und Schmieden stochastischen Unsicherheiten der Prozessparameter, die in mit Unsicherheiten behafteten Bauteilen resultieren. In verketteten Prozessen pflanzen sich diese Unsicherheiten fort, wobei sie durch Wechselwirkungen verstärkt, abgeschwächt oder eliminiert werden können. Insbesondere die stochastische Natur des pulverförmigen Ausgangsmaterials führt zu vielfältigen Wechselwirkungen und Schwankungen in den nachfolgenden Prozessschritten. So können sich beim Pulverpressen gebildete Dichtegradienten im Halbzeug zu Verzügen in den gesinterten bzw. sintergeschmiedeten Bauteilen führen. Zur Auslegung und Optimierung der pulvermetallurgischen Prozessroute stehen bereits numerische Ansätze und entsprechende Materialmodelle, welche das kompressible Materialverhalten berücksichtigen zur Verfügung. Der Fokus liegt hierbei jedoch in der Regel auf einer isolierten Prozessbeschreibung ohne Berücksichtigung der Wechselwirkungen. Eine Berücksichtigung der Unsicherheit von Prozessparametern und deren Auswirkung erfolgte bisher nicht. Ziel des Vorhabens ist daher die prozessübergreifende Modellierung der Prozesskette Sinterschmieden unter Berücksichtigung der auftretenden Unsicherheiten sowie deren Interaktion und Propagation Hierfür wird die Prozesskette experimentell umgesetzt und mit messtechnischer Sensorik ausgestattet. Einer der Schwerpunkte des Vorhabens bildet die in-situ Bauteilüberwachung zur kontinuierlichen Rekonstruktion von Geometrie und Oberflächentemperatur im Sinterprozess, um Daten zur Modellierung von Unsicherheitspropagationen zu sammeln und softsensorisch Kerntemperatur und Dichteverteilung während des Sintervorganges zu prädizieren. Da die Prozesse Pulverpressen und Sinterschmieden messtechnisch schwer zu erfassen sind, erfolgt die Unsicherheitsquantifizierung mittels schnellrechnender Metamodelle, welche über FE-Simulationen trainiert werden. Für eine finale Analyse der epistemischen und aleatorischen Unsicherheitsentwicklung werden die entwickelten Modelle der Teilprozesse verknüpft und die Entwicklung der Unsicherheit entlang der Prozesskette quantifiziert. Abschließend erfolgt die Validierung anhand der experimentellen Prozesskette. Die entwickelten Modelle bilden die Grundlage für eine inverse multikriterielle Optimierung der Prozesskette unter Berücksichtigung der Unsicherheitspropagation und -wechselwirkung. So kann perspektivisch durch Anpassung der Prozessparameter die Gesamtrobustheit gesteigert oder die eingebrachte Energie durch Anpassung der Sinter- bzw. Erwärmungszeiten und Temperaturen minimiert werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2476: Prozessübergreifende Modellierung in der Produktionstechnik