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Information für die Wissenschaft Nr. 57 | 9. September 2009
Schwerpunktprogramm "Modellierung, Simulation und Kompensation von thermischen Bearbeitungseinflüssen für komplexe Zerspanprozesse"  

Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung des Schwerpunktprogramms "Modellierung, Simulation und Kompensation von thermischen Bearbeitungseinflüssen für komplexe Zerspanprozesse" beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre vorgesehen.

In nahezu allen spanenden Fertigungsprozessen werden die herzustellenden Bauteile in erheblichem Maße thermisch beeinflusst. Die hierbei entstehenden transienten Wärmefelder und die sich im Bauteil akkumulierende Wärme stellen eine deutliche Beeinträchtigung des Fertigteils hinsichtlich der einzuhaltenden Toleranzen dar. Insbesondere trockene oder minimalmengengeschmierte Bearbeitungsoperationen haben ein Belastungskollektiv zur Folge, das zu erhöhten thermisch bedingten Form- und Maßabweichungen des Bauteils führt und sein Verhalten im späteren Gebrauch entscheidend verändert. Aufgrund fehlender Grundlagenerkenntnisse können diese Einflüsse zurzeit in der Praxis nur durch aufwendige Einfahrversuche vermieden werden.
Aus dieser Problemstellung leitet sich als übergeordnete Zielsetzung des Schwerpunktprogramms die Modellierung, Simulation und Kompensation von thermischen Bearbeitungseinflüssen auf das Bauteil ab, um resultierende Fertigungsungenauigkeiten bereits in der Fertigungsplanung mithilfe von simulationsgestützten Methoden reduzieren zu können. Im Fokus der Untersuchungen stehen die spanenden Fertigungsverfahren mit ihren verfahrensbedingten Problemstellungen. Das betrachtete Spektrum umfasst sowohl geometrisch komplexe Bauteile mit homogener Werkstoffmatrix als auch Komponenten mit inhomogenem Materialgefüge, allerdings stets auf Basis einer metallischen Grundmatrix.

Mithilfe von Simulationsmodellen, die den thermischen Energieeintrag in das Bauteil phänomenologisch beschreiben, sollen komplette Zerspanprozesse betrachtet werden. Auf diese Weise ist es möglich, mehrere Prozessschritte und komplexere Werkstücke zu analysieren. Die möglichen Auswirkungen auf das Werkstück umfassen dabei sowohl thermoelastische und thermoplastische Deformationen als auch Phasenumwandlungen in der Randzone. Aufgrund der großen Bandbreite im Bereich der Modellierung ist eine Zusammenarbeit verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen erforderlich und ausdrücklich erwünscht, um die komplexen Prozesse der Wärmegenerierung, -einbringung und -verteilung werkstückseitig in geeigneter Weise zu beschreiben. Die Erstellung für die Berechnung komplexer Bauteile optimierter nichtlinearer Werkstoffmodelle, die zuverlässige Modellierung der Wärmeübertragung wie auch die Effizienzsteigerung der Simulationen und die optimale Steuerung des Zerspanprozesses stellen nur einen Teil der Expertise dar, die von den beteiligten Disziplinen zur Lösung dieser Aufgabenstellung erforderlich sein wird.
Die Zielsetzung soll in drei aufeinander aufbauenden Phasen von jeweils zwei Jahren erreicht werden, in denen die Komplexität der Simulationsmodelle im Verlauf des Schwerpunktprogramms zunimmt.

In der ersten Phase (Machbarkeit) sollen zunächst Grundlagenuntersuchungen zur Modellbildung des Wärmeeintrags ausschließlich in das Bauteil im Mittelpunkt stehen. So ist zu klären, welcher Abstraktionsgrad zu realitätsnahen Simulationsergebnissen führt. Das Werkstückspektrum in dieser Phase soll geometrisch und stofflich einfache und homogene Bauteile umfassen.

In der zweiten Phase (Flexibilität) sind die Ergebnisse der ersten Phase auf komplexere Bauteile zu übertragen. Im Fokus stehen sowohl Bauteile mit größeren Abmessungen oder stark schwankenden Wandstärken als auch Werkstücke mit komplexer Werkstoffstruktur, wobei vor allem Werkstoffe mit inhomogenem Gefüge und metallischer Grundmatrix betrachtet werden sollen.

In der dritten Phase (Kompensation und Optimierung) sollen die Simulationsmodelle genutzt werden, um die spanende Fertigung in der Weise auszulegen, dass die thermisch bedingten Deformationen auf ein Minimum reduziert werden können. Dabei ist zwischen mehreren Strategien zu unterscheiden. Eine Möglichkeit besteht in einer veränderten Fertigungsschrittfolge. Aber auch die Modifikation des eigentlichen Fertigungsprozesses stellt eine Alternative im Sinne einer Kompensationsstrategie dar.

Im Rahmen dieses Schwerpunktprogramms wird die vorgestellte Thematik grundlegend erforscht und neue Modellansätze von Wissenschaftlern aus den Fachdisziplinen Mathematik/Informatik, Thermodynamik/Verfahrenstechnik, Produktionstechnik und Werkstoffwissenschaften erarbeitet. Eine Weiterentwicklung von Zerspanwerkzeugen und von Messtechnik zur Erfassung der thermischen Bauteilbelastung sowie der Einsatz von Simulationsansätzen nach der Methode der neuronalen Netze ist hingegen nicht Bestandteil der geplanten Untersuchungen. Darüber hinaus sollen die Werkzeugmaschinenstruktur, nichtmetallische Compositewerkstoffe und Sandwichstrukturen unberücksichtigt bleiben.

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