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Schwerpunktprogramm „Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen“ (SPP 2013)

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im März 2016 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen“ (SPP 2013) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen. Die DFG lädt hiermit ein zur Antragstellung für die zweite zweijährige Förderperiode.

Problemstellung

Das Streben nach Leichtbaulösungen in der industriellen Fertigung bedingt die Konzeption, Herstellung und Verwendung anwendungsspezialisierter Bauteile. Dabei bietet eine Herstellung mittels umformtechnischer Fertigungsverfahren gegenüber spanenden Fertigungsverfahren zahlreiche Vorteile. Neben hoher Materialausnutzung und Produktivität wird bei umgeformten Bauteilen ein beanspruchungsgerechter Faserverlauf erzielt. Dies führt gegenüber spanend hergestellten Bauteilen zu verbesserten mechanischen Eigenschaften und einer hohen dynamischen Beanspruchbarkeit.

Allerdings wird das Einsatzverhalten von umformtechnisch hergestellten Bauteilen stark von den vorliegenden Eigenspannungen beeinflusst. Der Eigenspannungszustand ist maßgeblich für die Initiierung von Bauteilschädigung sowohl während des Fertigungsprozesses als auch im späteren Einsatz verantwortlich. Die Mess- und Nachweismethoden sowie die werkstofftechnische Modellbildung sind inzwischen sehr weit fortgeschritten, sodass im Labormaßstab für exemplarische Anwendungen Eigenspannungen qualitativ und teilweise auch quantitativ ermittelt werden können. Es gibt aber noch wesentliche Wissenslücken bei sehr vielen umformtechnischen Fertigungsverfahren im Bereich der Entstehung, der Stabilität und Reproduzierbarkeit von Eigenspannungen. Die numerischen Prognosewerkzeuge bieten eine effiziente Möglichkeit der virtuellen Abbildung von Eigenspannungen auf verschiedenen Längenskalen, können aber wegen nicht hinreichend genauer Materialcharakterisierung noch nicht im gewünschten Umfang eingesetzt werden. Die effizienten Modelle und experimentellen Versuchseinrichtungen der Betriebsfestigkeit zeigen einerseits die vielversprechenden Ansätze zur potenziellen Nutzbarkeit von Eigenspannungen und andererseits aber auch noch die großen Herausforderungen zur prozesssicheren Umsetzung bei sehr vielen verschiedenen Prozessen der Blech- und Massivumformung.

Aus diesem Grund werden Eigenspannungen bislang als zu vermeidender Faktor interpretiert, der die Herstellbarkeit von Bauteilen weitgehend negativ beeinflusst. Im Fokus zahlreicher Untersuchungen steht daher die Vermeidung beziehungsweise Reduzierung solcher inneren Belastungen, da diese zu verfrühtem Bauteilversagen führen können. Im Gegensatz dazu wird mit dem geplanten Schwerpunktprogramm angestrebt, Eigenspannungen bewusst mithilfe umformender Fertigungsverfahren in Bauteile einzubringen beziehungsweise die Größe und Verteilung der Eigenspannungen zu steuern und zu kontrollieren, sodass diese einen positiven Einfluss auf relevante Eigenschaften der umformtechnisch hergestellten Bauteile haben.

Wissenschaftliche Ziele

Im Rahmen dieses Schwerpunktprogramms sollen die wissenschaftlichen Grundlagen erarbeitet werden, um die gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen ermöglichen zu können. Die Bauteileigenschaften, deren Verbesserung bei den Forschungsprojekten im Vordergrund stehen soll, sind dadurch gekennzeichnet, dass sie ein vorrangiges Auslegungskriterium während des späteren Bauteileinsatzes sind. Exemplarisch können hier die Schwingfestigkeit, die statische Festigkeit sowie die Beulsteifigkeit und -festigkeit in Kombination mit der Eigenschaftsstabilität während des Betriebs genannt werden.

In der ersten Phase wurden bereits folgende Ziele erreicht: ...

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