Hochoptimierte, fälschungssichere Stahlbauteile durch intelligenten Umformprozess

News / 17.3.2020

Die Universität Paderborn, die Technische Universität Dortmund und das Fraunhofer IEM arbeiten seit Februar daran, durch Umformprozesse nicht nur die äußere Form von Stahl zu verändern, sondern auch gezielt die Eigenschaften anzupassen. Dieses Verfahren ermöglicht künftig eine effizientere, ressourcenschonende Herstellung optimierter, fälschungssicherer Stahlbauteile. Unterstützt wird das Projekt »Eigenschaftsbasierte Regelung von Verfestigungs- und Phasenumwandlungsprozessen beim Drücken und Drückwalzen metastabiler Austenite« im Schwerpunktprogramm »Eigenschaftsgeregelte Umformprozesse« der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), die insgesamt 11 Projekte in diesem Bereich fördert.

© Fraunhofer IEM
Arbeiten an einem intelligenten Drückwalzprozess: Julian Rozo Vasquez (WPT, Technische Universität Dortmund), Bahman Arian (LUF, Universität Pa-derborn) und Markus Riepold (Fraunhofer IEM) vor dem Umform-Prüfstand der Universität Paderborn.
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Drückwalzen: Die Spindel (vorne links) dreht das Stahlbauteil, das von den drei Walzen im Hintergrund umgeformt wird. Die blauen Leitungen sorgen für ausreichend Kühlschmierstoff.

Ob Haushalt, Infrastruktur oder Industrie: Stahl ist aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Moderne Stahlwerkstoffe ermöglichen erst in Verbindung mit fortschrittlichen Fertigungstechnologien die Herstellung von vielen Hochleistungsprodukten. Ein typisches Beispiel ist der Einsatz des Drückwalzens für die Herstellung von Bauteilen aus Edelstählen für Zentrifugen- oder Strahltriebwerke. Kommt hier ein spezieller Stahl, ein sogenannter metastabiler austenitischer Stahl, zum Einsatz, kann man nicht nur gezielt die äußere Form, sondern auch die Eigenschaft des Metalls durch Phasenumwandlung beeinflussen.

Die Wissenschaftler der Universität Paderborn, der Technischen Universität Dortmund und des Fraunhofer IEM arbeiten an einem intelligenten Drückwalzprozess, mit dem Hersteller gezielt die Eigenschaften ihrer künftigen Bauteile sehr fein ortsaufgelöst einstellen und dadurch wertvolle Zusatzfunktionen integrieren können. Dies kann z. B. für die Überwachung von Bauteilzuständen und Prozessen oder einer eindeutigen und manipulationssicheren Kennzeichnung von Bauteilen genutzt werden.

Vorteile für den Herstellungsprozess

  • Ressourcenschonend: Umformprozesse fertigen Teile ohne den Abtrag wertvollen Materials, wie dies z. B. beim Fräsen geschieht. Weiterhin ermöglicht es der intelligente oder geregelte Drückwalzprozess, sehr definiert und reproduzierbar auf physikalische bzw. mechanische Eigenschaften wie z. B. die Festigkeit oder Härte des Stahls Einfluss zu nehmen. Neben einer deutlichen Verbesserung der Funktionalität können Hersteller Material einsparen bzw. gezielter einsetzen.
  • Kostengünstig: Eine vergleichbare Funktionalität ist bisher – wenn überhaupt – durch aufwendige und teure Nacharbeit bzw. den Einsatz zusätzlicher Bauteile möglich. Die Fertigung innerhalb eines Regelkreises ermöglicht es auch, die Bauteilqualität zu verbessern und Ausschuss zu reduzieren.

Vorteile für das fertige Stahlbauteil

  • Intelligente, fälschungssichere Stahlbauteile: Das intelligente Drückwalzen erschließt spezielle physikalische Eigenschaften der meta-stabilen austenitischen Stähle für eine Vielzahl von Anwendungen. So kann beispielsweise ein magnetischer Barcode in das Stahlbauteil integriert werden. Dieser äußerlich unsichtbare, eindeutig identifizierbare Code ermöglicht es, fälschungssichere Produkte herzustellen.

Die Forschungspartner

Für das Vorhaben bündeln die Partner verschiedene Kompetenzen. Der Lehrstuhl für Umformende und Spanende Fertigungstechnik (LUF) der Universität Paderborn besitzt umfangreiche Erfahrungen im Hinblick auf die erfolgreiche Auslegung von Drückverfahren. Diese nutzt er für die Erarbeitung der verfahrensspezifischen Grundlagen, die rechnerische Beschreibung und die umformtechnische Bewertung des intelligenten Drückwalzens (Förderkennzeichen DFG HO 2356/16-1).

Das Fachgebiet Werkstoffprüftechnik (WPT) der Technischen Universität Dortmund bringt Expertise im Bereich der Charakterisierung der Mikrostrukturen und verformungsinduzierten Phasenumwandlungen sowie der Eigenschaften von Werkstoffen und Bauteilen unter betriebsrelevanten Beanspruchungen im Sinne von Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit auf der Basis eines Prozess-Struktur-Eigenschaft-Schädigung-Verständnisses ein (Förderkennzeichen DFG WA 1672/62-1).

Der Forschungsbereich Scientific Automation des Fraunhofer IEM aus Paderborn liefert Knowhow aus der Regelungstechnik und Industrieautomatisierung. Seine Aufgabe ist es auch, als Bindeglied zwischen Prozess- und Mess-/Werkstofftechnik zu arbeiten und den späteren intelligenten Drückwalzprozess zu modellieren, Sensorik und Aktorik einzubinden und auf einer Industriesteuerung zu realisieren (Förderkennzeichen DFG TR 383/9-1).

Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Das Projekt „Eigenschaftsbasierte Regelung von Verfestigungs- und Phasenumwandlungsprozessen beim Drücken und Drückwalzen metastabiler Austenite“ wird mit ca. 450.000 Euro für zunächst zwei Jahre gefördert und gehört zum Schwerpunktprogramm „Eigenschaftsgeregelte Umformprozesse“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Die DFG fördert hier insgesamt 11 Forschungsverbünde, mit dem Ziel, die wissenschaftlichen Grundlagen der prozessintegrierten Eigenschaftsregelung von Umformprozessen zu erforschen und neue Ansätze der Eigenschaftsregelung zu erproben und zu validieren.

Weitere Infos:

DFG-Schwerpunktprogramm »Eigenschaftsgeregelte Umformprozesse«: www.spp2183.de

Zum LUF der Universität Paderborn

Der Lehrstuhl für Umformende und Spanende Fertigungstechnik (LUF) arbeitet intensiv an einer Weiterentwicklung der Produktionstechnik und hier insbesondere der Umformtechnik. Dabei konzentrieren sich die Forschungstätigkeiten auf die Untersuchung und Auslegung von Prozessen, Werkzeugen und Maschinen zur flexiblen und effizienten Fertigung von Bauteilen aus Blechen und Profilen. https://mb.uni-paderborn.de/luf/

Zum WPT der Technischen Universität Dortmund

Das Fachgebiet Werkstoffprüftechnik (WPT) liefert mit modernen Mess- und Prüfverfahren sowie optimierten Analyse- und Auswertetechniken die Datenbasis für die Konstruktion und Fertigung sowie für die virtuelle Entwicklung betriebssicherer Hochleistungsprodukte für unterschiedlichste wirtschaftliche Branchen. Neben der beanspruchungsgerechten Qualifizierung der Werkstoffe und Optimierung industrieller Fertigungsprozesse gewinnen Maßnahmen des Structural Health Monitorings zur kontinuierlichen Überwachung der strukturellen Integrität hochbeanspruchter Bauteilsysteme genauso an Bedeutung wie Berechnungsansätze zur möglichst präzisen Bestimmung der Leistungsfähigkeit und (Rest-) Lebensdauer. www.wpt-info.de

Zum Fraunhofer IEM

Das Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM bietet am Standort Paderborn Expertise für intelligente Mechatronik im Kontext Industrie 4.0. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Bereichen Maschinenbau, Softwaretechnik und Elektrotechnik arbeiten fachübergreifend zusammen und erforschen innovative Methoden und Werkzeuge für die Entwicklung von intelligenten Produkten, Produktionssystemen und Dienstleistungen. www.iem.fraunhofer.de