Projekt 8 – Uni Paderborn, Fraunhofer IEM, TU Dortmund

Eigenschaftsorientierte Regelung von Verfestigungs- und Phasenumwandlungsprozessen beim Drücken und Drückwalzen metastabiler Austenite

Das übergeordnete Ziel des gesamten Forschungsvorhabens ist die Realisierung einer Eigenschaftsregelung innerhalb von Drückprozessen. Damit soll die lokal begrenzte und reproduzierbare Einstellung von physikalischen Bauteileigenschaften – in einem durch eine Vielzahl von Prozessparametern und einem wenig prädizierbaren Prozessverlauf geprägten Umfeld – möglich werden. Durch eine gezielte Beeinflussung von Phasenumwandlungsprozessen bei der Fertigung sollen Hochleistungsbauteile entstehen, die definierte gradierte mechanische (Härte) bzw. ferromagnetische Eigenschaften aufweisen und so einen Mehrwert, z.B. im Hinblick auf eine sensorische Nutzung, bieten. Dabei werden sehr hohe Ansprüche an die örtliche Auflösung der Gradierung, aber auch die Form- und Maßhaltigkeit sowie die Oberflächenqualität bei gleichzeitig geforderter hoher Produktivität, Sicherheit und Flexibilität der Fertigung gestellt. Innerhalb des Drückprozesses sollen durch eine geregelte Prozessführung der Parameter Temperatur und Umformgrad lokal begrenzte Bereiche geschaffen werden, die ein vorgegebenes Eigenschaftsprofil möglichst genau und reproduzierbar erfüllen.

Beim Drücken und Drückwalzen werden Bauteile gefertigt, indem Material auf eine Form gedrückt wird, bis die gewünschte Geometrie erreicht ist. Dabei kommt es zu Verfestigung und Phasenumwandlungen im Werkstoff, der sog. Martensitbildung. Diese lässt sich i.d.R. nicht während des Umformens detektieren oder bewusst steuern, was den Prozess hochgradig anspruchsvoll macht.

Eine neuentwickelte Eigenschaftsregelung mit detaillierten Werkstoff- und Prozessmodellen soll ermöglichen, zusätzlich zur Geometrie auch die Materialeigenschaften schon beim Umformen gezielt einzustellen. So entstehen neuartige, hochoptimierte Bauteile. Speziell beim Verarbeiten bestimmter Edelstähle, den „metastabilen Austeniten“, führen Phasenumwandlungen auf mikroskopischer Ebene zu deutlich verändertem Materialverhalten.

Die Prozessführung ist anspruchsvoll, da verschiedene wechselwirkende Mechanismen beteiligt sind, die von zahlreichen Parametern abhängen. Einerseits gilt es, unerwünschte Nachbehandlung oder Ausschuss schon im Prozess zu vermeiden. Andererseits lassen sich lokale Eigenschaften bewusst einstellen: Dies ermöglicht einen optimierten Härteverlauf oder eine Art unsichtbaren Barcode durch lokal magnetisierbare Bereiche. Das interdisziplinäre Forschungsvorhaben führt die Fachbereiche Werkstofftechnik, Fertigungstechnik und Regelungstechnik zusammen. Aufgabe ist, detaillierte Werkstoff- und Prozessmodelle zu entwickeln, echtzeitfähig umzusetzen, Sensorik und Aktorik einzubinden und im Rahmen einer modellprädiktiven Regelstrategie auf Industriesteuerung zu realisieren.

Kontakt

Lehrstuhl für Umformende und Spanende Fertigungstechnik der Universität Paderborn
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Werner Homberg
Projektbearbeiter: Bahman Arian, M.Sc. / ba@luf.upb.de

Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Ansgar Trächtler
Projektbearbeiter: Markus Riepold, M.Sc. / markus.riepold@iem.fraunhofer.de

Fachgebiet Werkstoffprüftechnik der Technischen Universität Dortmund
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Frank Walther
Projektbearbeiter: Julian Rozo Vasquez, M.Sc. / julian.rozo@tu-dortmund.de